20101isi303q105t029

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ Vicerrectorado de Investigación LABORATORIO DE QUÍMICA II TINS Básicos INGENIERÍA INDUSTRIAL TEXTOS DE INSTRUCCIÓN BÁSICOS (TINS) / UTP Lima - Perú

Laboratorio de Química II © LABORATORIO DE QUÍMICA II Desarrollo y Edición: Vicerrectorado de Investigación Elaboración del TINS: • Lic. Ana Elena García-Tulich Barrantes • Ing. César Ignacio Vásquez Solís Diseño y Diagramación: Julia Saldaña Balandra Soporte académico: Instituto de Investigación Producción: Imprenta Grupo IDAT Queda prohibida cualquier forma de reproducción, venta, comunicación pública y transformación de esta obra. 2

Laboratorio de Química II “El presente material contiene una compilación de obras de Química Orgánica publicadas lícitamente, resúmenes de los temas a cargo del profesor; constituye un material auxiliar de enseñanza para ser empleado en el desarrollo de las clases en nuestra institución. Éste material es de uso exclusivo de los alumnos y docentes de la Universidad Tecnológica del Perú, preparado para fines didácticos en aplicación del Artículo 41 inc. C y el Art. 43 inc. A., del Decreto Legislativo 822, Ley sobre Derechos de Autor”. 3

Laboratorio de Química II 4

Laboratorio de Química II PRESENTACIÓN

La Química se encuentra presente en todos aquellos componentes del universo, a lo largo de la historia del tiempo del universo; por eso es de vital importancia seguir estudiando la materia, la energía y la información, provenientes de los procesos de transformación de los componentes en su expansión continua. El entendimiento de la Química, comprende el estudio de la teoría, en complemento con las pruebas de laboratorio y de las reflexiones de mentes privilegiadas. En esta correspondencia, la formación universitaria en ingeniería obliga al estudio de la Química, tanto en el aspecto teórico, cuanto en el aspecto de prácticas de laboratorio, en el espacio de comprobación de la verdad subyacente en los modelos científicos de la Química. La virtud del presente texto consiste en la presentación de un Manual de Prácticas de Laboratorio, para la Asignatura de Química II, adecuadamente estructurada, por la Lic. Ana E. García-Tulich Barrantes y el Ing. César I. Vásquez Solis; en base a una selección y elaboración de prácticas de laboratorio; mediante un acopio de modelos de prácticas contenidos en la fuente bibliográfica correspondiente, congruente con la infraestructura del laboratorio. El presente texto de instrucción pretende servir de apoyo en los fundamentos teóricos de las prácticas realizadas en el Laboratorio de Química para la Carrera de Ingeniería Industrial. Presenta la siguiente estructura: IDENTIFICACIÓN PRELIMINAR DE UN COMPUESTO ORGÁNICO, que permite aplicar los ensayos elementales como los organolépticos, reconocimiento de carbono e hidrógeno, así como volatilidad, inflamabilidad, grupos de solubilidad para determinar el origen orgánico o no de su muestra problema. RECRISTALIZACIÓN, donde la elección de un solvente adecuado será la base para la posterior purificación de una determinada muestra mediante la formación de cristales libres de impurezas. CONSTANTES FÍSICAS, donde la determinación de la temperatura de ebullición en líquidos y la temperatura de fusión en sólidos, permitirá conocer si la sustancia problema es pura o no. ÍNDICE DE REFRACCIÓN, donde se aprenderá la manipulación del Refractómetro para medir el índice de refracción de sustancias líquidas y poder determinar su pureza, destacando los factores que lo afectan. 5

Laboratorio de Química II

REACCIÓN DE LASSAIGNE, como complemento de los procesos físicos antes mencionados para la identificación de una muestra orgánica, definiendo parte de su composición como la presencia de nitrógeno, azufre y halógenos en su estructura. IDENTIFICACIÓN CUALITATIVA DE ALCOHOLES Y FENOLES, permitiendo entrar al estudio de reacciones específicas de identificación de grupos funcionales, en este caso el grupo oxhidrilo. IDENTIFICACIÓN CUALITATIVA DE ALDEHIDOS, CETONAS Y ÁCIDOS CARBOXÍLICOS, siguiendo con el estudio de reacciones específicas de identificación de grupos funcionales, en este caso el grupo carbonilo y carboxilo. CARBOHIDRATOS, permitiendo el estudio de algunas propiedades de azúcares y almidones mediante sus reacciones químicas. ÉSTERES: SÍNTESIS DE LA ASPIRINA, donde la obtención de la aspirina será el medio de estudio de una reacción química de esterificación y de las propiedades de dicho éster. PREPARACIÓN DE UN JABÓN POR SAPONIFICACIÓN, que permitirá la aplicación de la técnica para la obtención de un jabón a partir de un aceite vegetal común ó de cualquier grasa adecuada y el estudio de las reacciones químicas implicadas en dicho proceso. FORMACIÓN DE UN POLÍMERO ENTRECUZADO, donde se llevará a cabo algunas reacciones químicas de síntesis de polímeros y plásticos, para posteriormente identificar los productos y reactivos implicados en dichas reacciones. AISLAMIENTO DEL EUGENOL A PARTIR DEL CLAVO DE OLOR, la extracción del aceite esencial Eugenol a partir del clavo de especia, permitirá conocer y aplicar la técnica de destilación por arrastre de vapor. EXTRACCIÓN SIMPLE Y EXTRACCIÓN MÚLTIPLE, donde el estudiante se familiarizará con las técnicas de extracción como método de separación y purificación de sustancias integrantes de una mezcla, así como elegir los disolventes adecuados para un proceso de extracción. Como punto final de estas líneas, los agradecimientos Institucionales especiales a los profesores Ana E. García-Tulich B. y el Ing. César I. Vásquez S.; por su denuedo académico en la preparación del texto. Vicerrectorado de Investigación 6

Laboratorio de Química II ÍNDICE I. Normas Generales .................................................................. 11 II. Recomendaciones Generales para el Alumno ........................ 13 III. Seguridad y Primeros Auxilios ................................................ 15 IV. Del reporte o informe............................................................... 19 Práctica Nº1 Identificación preliminar de un compuesto orgánico ....................... 21 Práctica Nº2 Recristalización ............................................................................... 31 Práctica Nº3 Determinación de constantes físicas............................................... 39 Práctica Nº4 Índice de refracción......................................................................... 49 Práctica Nº5 Reacción de Lassaigne................................................................... 53 Práctica Nº6 Identificación cualitativa de alcoholes y fenoles .............................. 59 Práctica Nº7 Identificación cualitativa de aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos 67 Práctica Nº8 Carbohidratos.................................................................................. 75 Práctica Nº9 Esteres: síntesis de la aspirina........................................................ 79 Práctica Nº10 Preparación de un jabón por saponificación de un aceite vegetal .. 85

7

Laboratorio de Química II Práctica Nº11 Formación de un polímero entrecruzado ........................................ 93 Práctica Nº12 Aislamiento del eugenol a partir del clavo de olor ........................... 99 Práctica Nº13 Extracción simple y extracción múltiple........................................... 107 Bibliografía .................................................................................... 117 8

Laboratorio de Química II DISTRIBUCIÓN TEMÁTICA Clase Tema Semana Horas N° Introducción al Curso de Laboratorio de Química 1 II. Pautas Generales. Normas de Seguridad. 1 02 Identificación preliminar de un compuesto orgánico. 2 2 02 1º Práctica Calificada (Revisión y Entrega de Notas) 3

Ídem semana 2 3 02 Recristalización. Aplicaciones. 4 2º Práctica Calificada (Revisión y Entrega de 4 02 Notas) 5 Ídem Semana 4 5 02 Determinación de las constantes físicas de algunos compuestos Orgánicos. Métodos. 6 3° Práctica Calificada (Revisión y Entrega de 6 02 Notas) 7 Ídem Semana 6 7 02 Formación de un Polímero entrecruzado. Aplicaciones 8 4° Práctica Calificada (Revisión y Entrega de 8 02 Notas) 9 Ídem Semana 8 9 02 10 E X A M E N P A R C I A L 10 02 11 Identificación cualitativa de alcoholes y fenoles. 11 02 Ídem Semana 11 12 5° Práctica Calificada (Revisión y Entrega de 12 02 Notas) 9

Laboratorio de Química II Clase Tema Semana Horas N° Identificación cualitativa de aldehídos, cetonas y 13 ácidos carboxílicos. 13 02 Ídem Semana 13 14 6° Práctica Calificada (Revisión y Entrega de 14 02 Notas) Reacción de Lassaigne. Identificación de 15 Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Azufre y 15 02 halógenos de un compuesto Orgánico. Ídem Semana 15 16 7° Práctica Calificada (Revisión y Entrega de 16 02 Notas) Extracción. Aislamiento del eugenol a partir del 17 17 02 clavo de olor. Ídem Semana 17 18 8° Práctica Calificada (Revisión y Entrega de 18 02 Notas) 19 E X A M E N F I N A L 19 02

10

Laboratorio de Química II I. NORMAS INTERNAS GENERALES El desempeño eficiente y seguro dentro del laboratorio, implica la adopción de una serie de normas de conducta que deben seguirse rigurosamente a manera de protocolo. He aquí las de mayor importancia: 1.1 El uso del mandil dentro del laboratorio como ropa de trabajo es OBLIGATORIO. 1.2 Puntualidad en las horas de ingreso al laboratorio 1.3 El alumno ingresará o se retirará del laboratorio con previa autorización del profesor. 1.4 El orden y la disciplina son fundamentales para evitar accidentes en el laboratorio. 1.5 Las prácticas no programadas o de recuperación serán autorizadas sólo por el profesor, previa coordinación con el Jefe de Laboratorio. 1.6 No está permitido el uso de walkman, discman, gorra, etc. y realizar acciones que distraigan la práctica. 1.7 No introducir ni ingerir alimentos o bebidas en el laboratorio, ni fumar. 1.8 Sólo el profesor o la persona autorizada serán los encargados de entregar los materiales y/o reactivos a los alumnos. 1.9 El material, equipo, reactivos y llaves (de gas, de agua, electricidad) se deben de manipular y/o transportar como lo indique el profesor(a). 1.10 Todo alumno será responsable del material, equipo o mobiliario del laboratorio y tendrá que reponer el daño ocasionado. 1.11 Será sancionado todo aquél alumno que utilice material o equipo para otros usos que no sean para lo que están destinados. 1.12 Terminada la práctica deberá dejar limpio el Área de Trabajo respectivo. 11


12

Laboratorio de Química II II. RECOMENDACIONES GENERALES PARA EL ALUMNO 2.1

Antes de ingresar, deberá conocer qué experimento va a realizar, según su guía. 2.2

Use siempre un cuaderno de Laboratorio para anotar sus observaciones y desarrollar sus cálculos. 2.3

Mantenga su área de trabajo limpia y ordenada, sin libros, chompas, bolsos o elementos innecesarios para la realización de la práctica. 2.4

No juegue, no corra ni gaste bromas a nadie dentro de este recinto. 2.5

Concéntrese en lo que va a realizar, no precipite sus acciones. 2.6

No dude en preguntar cualquier inquietud a su profesor. 2.7

Identifique los materiales y reactivos con los que va a trabajar. 2.8

No mezcle o caliente las sustancias que no estén indicadas en el procedimiento. 2.9

No pruebe sustancias o reactivos en el laboratorio. 2.10 No es conveniente que modifique las cantidades de las sustancias que se han indicado para la técnica, a menos que lo indique el profesor. 2.11 Al calentar una solución en un tubo de ensayo, nunca dirija la boca del tubo hacia alguno de tus compañeros o hacia uno mismo.

2.12 No deben regresar las sustancias sobrantes a los frascos que las contenían, sin la consulta al profesor. 2.13 Para percibir olores de las soluciones, basta con acercarse y abanicar para mover los vapores que se desprenden, con lo cuál fácilmente llega a la nariz. 2.14 Comunicar inmediatamente al profesor acerca de cualquier accidente por pequeño que sea. 2.15 Por seguridad en sus experimentos primero añada el agua luego los ácidos o álcalis. 2.16 No toque los reactivos sólidos o líquidos sin precauciones; así mismo evite impregnarse con sustancias inflamables. 2.17 Si trabaja con reacciones de efecto gaseoso excesivo o tóxico deberá hacerlo en la campana extractora. 2.18 Los desechos sólidos se irán al tacho, los líquidos al lavadero (seguido de una dilución con agua de caño para evitar corrosiones). 13

Laboratorio de Química II 2.19 Siempre los materiales con los que va a trabajar deben estar limpios y enjuagados con agua destilada. 2.20 Trate de llegar en su horario a la hora exacta, recuerde que no hay recuperación de clases, salvo excepciones de fuerza mayor que tendrá que justificarlo vía trámite en su Facultad. 14


III. SEGURIDAD Y PRIMEROS AUXILIOS Muchos reactivos, particularmente los disolventes orgánicos, arden en presencia de una llama. Otros pueden descomponerse explosivamente cuando se exponen al calor. En consecuencia, estos productos deben mantenerse lejos de mecheros, planchas de calentamiento o de la exposición directa al sol. Siempre que trabaje con sustancias volátiles, hágalo dentro de una campana extractora. Si aún así llegara a producirse una excesiva concentración de vapores dentro del laboratorio, se deben abrir rápidamente puertas y ventanas para ventilar el recinto. Procure utilizar una “Pera de Succión” para no tener que pipetear reactivos directamente con la boca. Un riesgo potencial de envenenamiento frecuentemente olvidado, es el contacto directo de reactivos con la piel, ya que muchos de estos se absorben directamente a través de ella. Tenga por ello presente las indicaciones del profesor. Muchos de los accidentes de laboratorio se producen por cortes y quemaduras con vidrio. En general, no fuerce nunca el material de vidrio ni lo someta a tensiones innecesarias ya que en caso de ruptura, los cortes pueden ser graves. Las pequeñas quemaduras producidas por material caliente, baños, placas o mantas de calentamiento, etc., se trataran lavando la zona afectada con agua fría durante 10-15 minutos. PRECAUCIONES EN EL LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA A) EN CASO DE ACCIDENTE En cualquier tipo de incendio, inmediatamente cerrar toda llave de salida de gas. Si la llama es pequeña, puede ser apagada con una toalla húmeda o con el extinguidor de anhídrido carbónico. 15

Laboratorio de Química II Fuego de Ropa.- Inmediatamente cubrir con una frazada o con una toalla. Usar si es necesaria la ducha de agua.

Incendio de Reactivos.- Cuando hay incendio en vasos o frascos de laboratorio, inmediatamente tapar la boca de estos, ya sea con una plancha asbesto o con una toalla húmeda. Para incendios mayores usar el extinguidor de anhídrido carbónico. B) PRIMEROS AUXILIOS Cortes.- Producidos por rotura de tubos de vidrio ó termómetros, se lava la parte afectada con agua, aplicar un antiséptico y luego una venda. Ácidos en los Ojos.- Lavar inmediatamente la parte afectada con bastante agua de caño, luego con una solución de bicarbonato de sodio al 2% secar y poner dentro del ojo unas gotas de aceite de oliva. Álcalis en los Ojos.- Lavar inmediatamente la parte afectada con bastante agua de caño, luego con una solución saturada de ácido bórico o solución de ácido acético al 1%. Secar y poner dentro del ojo, unas gotas de aceite de oliva. C) QUEMADURAS PRODUCIDAS POR: Ácidos.- Lavar con bastante agua de caño, luego con solución saturada de bicarbonato de sodio, volver a lavar con agua, secar con gasa y aplicar picrato de butecina. Álcalis.- Lavar con bastante agua de caño, luego con una solución saturada de ácido bórico, cubrir la parte afectada con ácido bórico en polvo, lavar, secar, con gasa y aplicar picrato de butecina. Bromo.- Lavar con agua de caño. Luego aplicar glicerina, después de un tiempo limpiar la glicerina superficialmente y aplicar picrato de butecina. Nota: También se puede aplicar solución concentrada de tiosulfato de sodio hasta eliminar el bromo, lavar con agua, secar y aplicar vaselina. 16

Laboratorio de Química II Fenol.- Lavar con alcohol al 50% con una solución de agua de bromo al 0,5% (cuidado con la concentración). Secar y aplicar vaselina o picrato de butecina. Fuego.- Las quemaduras de fuego o por contacto con objetos calientes, se deben tratar con picrato de butecina.

Sulfato de Dimetilo.- Ataca la piel, lavar inmediatamente con amoniaco (cuidado: no lavar absolutamente con agua) 17


Laboratorio de Química II IV. DEL REPORTE O INFORME Con la finalidad de estandarizar las instrucciones fundamentales para la presentación de los reportes de cada práctica de laboratorio, ofrecemos a continuación una descripción de las partes que comprenderá dicho material de evaluación y los detalles que deberán tomarse en cuenta. 4.1

Presentación. El reporte será presentado en papel Bond A4 blanco, escrito a maquina (a espacio y medio) ó manuscrito con letra legible. 4.2 Carátula. En esta se indicará con letras mayúsculas el nombre del curso, profesor encargado, el número y título de la práctica, aula de clases, la fecha de realización de la práctica y la relación de asistencia del grupo. 4.3 Principios Teóricos. En ésta sección el alumno presentará todos los conceptos desarrollados que se sugieren en el manual. 4.4 Parte Experimental: Se mencionarán los materiales y reactivos utilizados. Además del procedimiento experimental plasmado en un diagrama de operaciones y procesos. 4.5 Cálculos y Tabla de Resultados: En esta parte se presentan los datos obtenidos, ecuaciones químicas, cálculos, tabulación de datos (sí los hubiera), y la tabla de resultados.

4.6 Conclusiones: A partir de los resultados obtenidos en su práctica se plantearán las conclusiones a las que el grupo llegó. 4.7 Recomendaciones: Estas se proponen basándose en la técnica o metodología seguida para la práctica. 4.8 Cuestionario: El desarrollo de las preguntas del cuestionario fomentará la investigación y serán parte fundamental para la calificación. 19


Laboratorio de Química II PRÁCTICA Nº 1 IDENTIFICACIÓN PRELIMINAR DE UN COMPUESTO ORGÁNICO 1.

OBJETIVOS - Identificar una sustancia química observando las propiedades físicas y químicas de algunos compuestos. - Identificar a través de reacciones específicas, los elementos más comunes que constituyen a los compuestos orgánicos, como el carbono e hidrógeno. -

Determinar el comportamiento de solubilidad de compuestos en disolventes orgánicos para utilizarlo en la selección del disolvente ideal en prácticas futuras. 2. PRINCIPIOS

TEÓRICOS La importancia de ésta práctica radica en formarnos los conocimientos básicos para poder reconocer y/o diferenciar sustancias orgánicas generalmente puras de sustancias inorgánicas, por medio de ensayos preliminares. Definiremos ensayo como un proceso experimental, que por la investigación de una pequeña muestra del material, se puede hacer una estimación de la calidad del conjunto. Dentro de dichos ensayos tenemos los organolépticos, los cuales se basan en el uso de cada uno de los sentidos, para guardar información valiosa sobre la identificación de sustancias químicas (orgánicas en nuestro caso). Sin embargo son difíciles de medir pues a la falta de patrón hay que añadir la subjetividad de los mismos. Tanto el trabajo en planta como la labor en el área de logística, implica estar en constante relación con los insumos o materia prima requerida según el rubro de nuestra empresa y sea de origen orgánico o no, tenemos que reconocer (y esto se va dando aún más con la experiencia) de primera impresión, si nuestro proveedor nos está enviando un producto en condiciones óptimas según nuestro requerimiento, aún, antes de enviar la muestra a control de calidad. 21

Laboratorio de Química II Por estos motivos se hace fundamental un análisis cualitativo preliminar, donde hacemos uso de los ensayos organolépticos para analizar las cualidades de nuestra muestra como su estado físico, aspecto, color, olor, sabor (sólo en algunos casos, donde estamos seguros de la procedencia de nuestra muestra). Por ejemplo para la determinación del estado físico: Se debe observar si es un sólido o un líquido. En los sólidos se debe describir la forma cristalina (agujas láminas prismas), distinguir entre un sólido amorfo y uno microcristalino. En cuanto a las características físicas se debe observar el color, que puede estar asociado con la presencia de aromáticos o grupos con dobles enlaces altamente conjugados y percibir cautelosamente el olor, pues podría tratarse por ejemplo, de una amina, ya que a veces pueden tener olores desagradables fáciles de detectar, así también como los ésteres que pueden tener olores fragantes. Otro ensayo es el de combustión, el cual se basa en un calentamiento cuidadoso de la muestra directamente en el mechero y la observación de la presencia de cenizas, quienes determinarán si la muestra está formada solamente por C, H,

y O y si hay o no presencia de metales de reacción ácida o básica a los indicadores A estos ensayos se le suman otros ensayos básicos también como la inflamabilidad, carbonización, identificación de carbono e hidrógeno, la determinación de las constantes físicas, el análisis elemental de reconocimiento de nitrógeno, azufre y/o halógenos, el análisis y clasificación por grupo funcional, así como su comportamiento de solubilidad en disolventes orgánicos y en disolventes activos. Mencionaremos brevemente las más usuales como la oxidación enérgica, que permite la identificación de carbono e hidrógeno. Para ello, se utiliza junto con la muestra problema, reactivo óxido de cobre (II) que sometidos a una elevada temperatura permite la reacción de oxidación reducción. Si se trata de una muestra orgánica, la evidencia de reacción positiva será la formación de gotas de agua condensadas en las paredes del tubo de ensayo y el desprendimiento de dióxido de carbono (CO2), gas incoloro. Como en este ensayo debemos comprobar la identidad del gas desprendido (pues al ser incoloro podría ser oxígeno, nitrógeno u otro gas); para comprobar si se trata realmente de un compuesto orgánico, entonces se hace burbujear al CO2 en una solución saturada de hidróxido de bario o de calcio, la cual reaccionará con 22

Laboratorio de Química II el gas formando un precipitado blanco de carbonato de bario o carbonato de calcio, respectivamente. Por otro lado, determinando el comportamiento de solubilidad de un compuesto en disolventes orgánicos y en disolventes activos, podremos ir conociendo más aún sobre el origen de nuestra muestra. La solubilidad en disolventes orgánicos viene a ser la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en determinada cantidad de solvente a una temperatura específica, observándose una fase homogénea. Implica únicamente un proceso físico de disolución. La solubilidad está relacionada con la estructura química tanto del soluto como del disolvente, es decir están implicadas sus polaridades en cuanto a lo polar disuelve lo polar y viceversa. Independientemente de las causas de la disolución de la muestra problema, se considera que hay disolución cuando 0,05 g de la sustancia sólida o 0,1 ml de la sustancia líquida forman una fase homogénea a la temperatura ambiente con 3 ml de solvente. Es por medio de la solubilidad que podemos hallar el disolvente ideal para recristalizar una sustancia, dado que el soluto debe ser poco soluble en frío, muy soluble en caliente y recristalizarse nuevamente en frío.

Por otro lado, la solubilidad en disolventes activos, si implica en algunos casos un proceso químico de disolución y encuadra el compuesto en uno de los siete grupos de solubilidad definidos según su comportamiento. Estos grupos de solubilidad, se establecen en base a cinco disolventes: agua, éter etílico, hidróxido de sodio diluido, ácido clorhídrico diluido y ácido sulfúrico concentrado. En los dos primeros disolventes la solubilidad o insolubilidad observada corresponde a un proceso físico de disolución . En los tres restantes la solubilidad es consecuencia de un proceso químico, pues puede producir por ejemplo una reacción de tipo ácido-base. En el grupo I tenemos a los compuestos solubles en agua y en éter etílico, que se caracterizan: Por su baja polaridad para 23

Laboratorio de Química II solubilizar en éter, por la capacidad de formar enlaces puentes de hidrógeno para solubilizar en agua y por su bajo peso molecular. Los compuestos con más de un grupo funcional polar, presentan polaridad alta por lo que no solubilizan en éter etílico y pertenecen al grupo II. En el hidróxido de sodio al 5% se producirá la disolución por reacción ácido-base de aquellos compuestos orgánicos que posean carácter ácido. Estos compuestos pertenecen al grupo IV. En el grupo III se encuentran los compuestos orgánicos de carácter básico ya que se solubilizan en ácido clorhídrico diluido. El ácido sulfúrico concentrado determina si un compuesto orgánico pertenece al grupo V ó VI, dependiendo de la ausencia o presencia de nitrógeno en la molécula. Finalmente, los compuestos orgánicos no solubles en ninguno de los disolventes anteriores, son los que presentan menor reactividad y pertenecen al grupo VII de solubilidad. 3. PARTE

EXPERIMENTAL

a) Materiales -

Gradilla - Tubos de ensayo - Luna de reloj - Crisol de porcelana - Pinzas para tubos y para crisol - Vaso de precipitado - Pipeta graduada - Agitador de vidrio - Tapón con tubo de desprendimiento - Rejilla de asbesto - Trípode - Espátula - Mechero de Bunsen b) Reactivos - Sacarosa - Etanol - Acetato de sodio 24

Laboratorio de Química II - Óxido de cobre - Solución de hidróxido de bario - Acetato de etilo

- Acetona - Metanol - Hexano - Éter etílico - Ácido benzoico - Solución de NaOH 5% - Solución de NaHCO3 5% - Solución HCl 5% - Solución H2SO4 concentrado - Muestra problema c) Procedimiento Ensayos Organolépticos Observe la muestra entregada por el profesor y anote en la tabla de resultados sus caracteres organolépticos como el estado físico, aspecto, color, olor y sabor (sólo si el profesor le da la indicación respectiva), Ensayos Preliminares En un crisol de porcelana colocar unos cristalitos ó 5 gotas de muestra problema, ya sea sólida o líquida respectivamente. Luego aproximar el mechero de bunsen al contenido del crisol para ver si la sustancia es inflamable o no. Si no lo es, calentar la base del crisol observando y anotando los fenómenos producidos: Cambio de aspecto, desprendimiento de gases, olor y carbonización. Al terminar cada ensayo lave y seque bien el crisol de porcelana.

25

Laboratorio de Química II Identificación de Carbono e Hidrógeno por Oxidación En un tubo de ensayo limpio y seco provisto de tapón con tubo de desprendimiento, coloque una mezcla de 0,2 g de muestra problema y 0.4 g de óxido de cobre. En otro tubo de ensayo coloque 5 mL aproximadamente de solución acuosa de hidróxido de calcio o hidróxido de bario. Caliente entonces el primer tubo y reciba, en el segundo tubo el gas que se desprenda, haciéndolo burbujear dentro de la solución de hidróxido de bario. Si hay presencia de carbono, se observará el desprendimiento de un gas que al contacto con el hidróxido de bario formará un precipitado blanco. Si hay presencia de hidrógeno, éste formará pequeñas gotas de agua que se condensarán en la parte superior de las paredes del tubo de ensayo. Solubilidad en disolventes orgánicos. Coloque en un tubo de ensayo aproximadamente 0,1 g de la muestra problema si es sólido o 20 gotas si es líquida y agregue 1 mL del disolvente a probar; agite y observe (Prueba de solubilidad en frío). Sí los cristales no se han disuelto, agregue 1 mililitro más de disolvente orgánico. Sí el sólido no se ha disuelto, es insoluble en frío; si se ha disuelto es soluble en frío. Solo sí la sustancia fue insoluble en frío, caliente la muestra en baño maría hasta ebullición y con agitación constante. Observe y si solubiliza el sólido es soluble en caliente y es insoluble en caso contrario. Si el sólido fue soluble en caliente, enfríe a temperatura ambiente y luego en baño de hielo o con chorro de agua fría. Observe si hay formación de cristales. Solubilidad en disolventes activos Estas pruebas deben realizarse a temperatura ambiente y según como se indica en el diagrama anterior.

26

Laboratorio de Química II Para ello coloque en cada tubo de ensayo a utilizar 0,1 g ó 10 gotas de la misma muestra problema y agregue 1,5 mL del disolvente activo. Agite y observe. ¿Qué le sucede a la muestra problema al entrar en contacto con el disolvente empleado? Anote sus observaciones. Según los resultados de solubilidad, verifique el grupo al que pertenece su muestra problema, según el contenido de sustancias típicas en cada uno de ellos: MUESTRA PROBLEMA AGUA INSOLUBLE SOLUBLE NaOH 5% ETER INSOLUBLE SOLUBLE INSOLUBLE SOLUBLE Grupo II Grupo I NaHCO3 5% HCl 5% INSOLUBLE SOLUBLE Grupo IIIB Grupo IIIA INSOLUBLE SOLUBLE Grupo IV Sin N y/o S Con N y/o S GRUPO VII H2SO4 cc INSOLUBLE SOLUBLE Grupo VI Grupo V

27

Laboratorio de Química II GRUPO I.- Compuestos solubles en agua y éter, pertenecen a este grupo: Términos inferiores de las series homólogas de: Ácidos carboxílicos y Fenoles, Aldehídos, Cetonas, Anhídridos, Esteres, Alcoholes, Aminas, Nitrilos, Polihidroxifenoles GRUPO II.- Compuestos solubles en agua, pero insolubles en éter, pertenecen a este grupo: Hidroxiácidos, Ácidos polibásicos, Glicoles, polialcoholes, polihidroxialdehidos y polihidroxicetonas (azúcares), algunas Amidas y Aminoácidos, compuestos di- y poliaminados, aminoalcoholes, Ácidos sulfónicos, Sales, Haluros de Acilo. GRUPO IIIA.- Ácidos carboxílicos, Ácidos Sulfónicos, Ácidos Sulfínicos, Fenoles, Tiofenoles con sustituyentes electronegativos, Ácidos Aminosulfónico, Sulfatos de bases débiles. GRUPO IIIB.-Fenoles, α-cetoésteres, algunas di-cetonas, Imidas, Nitrocompuestos alifáticos primarios y secundarios, oximas, algunos Aminoácidos, Mercaptanos, Tiofenoles, Sulfonamidas. GRUPO IV.- Aminas alifáticas primarias, secundarias y terciarias; Aminas primarias Aromáticas, Alquilarilaminas, hidracinas, piranos, Antocianinas, Acetales de fácil hidrólisis. GRUPO V,- Hidrocarburos no saturados, algunos Hidrocarburos aromáticos muy alquilados, Aldehídos, Cetonas y Metilcetonas, Esteres, Anhídridos, Alcoholes, Éteres y Acetales, Haluros de acilo y otros derivados halogenados. GRUPO VI.- Hidrocarburos alifáticos y cicloparafinas, Hidrocarburos aromáticos, derivados halogenados, Éteres diarílicos. GRUPO VII.- Nitrocompuestos (terciarios); Nitroso, azo e hidrazo compuestos, Nitrilos, Aminas sustituidas negativamente, di o triarilaminas, Sulfonamidas de aminas secundarias, sulfuros, Sulfatos. 28

Laboratorio de Química II 4.

TABLA DE RESULTADOS

Carácter MUESTRA PROBLEMA Organoléptico Sacarosa Etanol Acetato de sodio Estado Físico Aspecto Color Olor Sabor ENSAYOS PRELIMINARES Muestra Problema Cambio de aspecto Desprendimiento de Olor Carbonización gases

Sacarosa Etanol Acetato de sodio Acetato Disolvente Agua Hexano Acetona Metanol Etanol de Etilo Solubilidad en frío Solubilidad en caliente Formación de

cristales Éter NaOH NaHCO H Grupo de Disolvente H 3 2SO4 2O HCl 5% Etílico 5% 5% Solubilidad cc Solubilidad en frío Identificación de Carbono e Hidrógeno Reacciones Químicas Observaciones 29


5. CUESTIONARIO

1. 10 gr. de una muestra X se hicieron arder completamente con CuO y en la trampa la reacción con Ba(OH)2 dio lugar a 43,4 gr. de BaCO3. Hallar la formula molecular del Compuesto X si en un análisis elemental previo dio 26,6 % de C; 71,1% de O y 2,3% de H. 2. ¿Qué compuesto añadiría a una muestra para identificar la presencia de Hidrógeno cuantitativamente? 3. En una mezcla de cloruro de metileno y agua, ¿por qué se forman dos fases? y si a la mezcla se añade alcohol Isopropilico, ¿qué sucedería? 4. ¿Para qué sirve y en que consiste el método de Liebig? 5. De los siguientes compuestos, ¿cuáles son polares o no polares y cuál es más soluble en cloruro de Metileno? ¿Por qué? a) H2O b) C6H6 c) CH3 – CH2 – CH3 d) C2H3Cl e) CCl4 30


PRÁCTICA Nº 2 RECRISTALIZACIÓN 1.

OBJETIVOS a) Deducir las características que debe tener un disolvente para realizar dicha técnica. b) Conocer y emplear la técnica de recristalización como método para purificar compuestos sólidos. c) Ilustrar el uso de un adsorbente como el carbón activado para eliminar impurezas coloridas. 2. PRINCIPIOS

TEÓRICOS Como criterio de pureza de una sustancia se toma en consideración el mínimo de constantes generalmente físicas, que permitan identificarla con certeza. Con frecuencia la especie química por la cual el analista se interesa, se obtiene con un grado de pureza insuficiente, haciéndose necesaria una marcha de purificación controlada por el estudio de propiedades físicas y la medida de constantes físicas, las cuales permiten identificar también la sustancia considerada pura. Un sólido resulta ser más soluble en un determinado disolvente si se aumenta la temperatura de este último. Es decir, la mayoría de las sustancias sólidas se disuelven más en caliente que en frío. Como consecuencia de esto, si disolvemos una sustancia en la menor cantidad posible de un solvente caliente, al enfriar el sistema obtendremos parte del producto en estado sólido (por disminución de la solubilidad en el solvente frío). Por ello uno de los métodos más usados para purificar una sustancia sólida es la Recristalización. El compuesto se disuelve en un solvente ideal en el que es más soluble en caliente que en frío, por lo que algunas impurezas serán separadas al realizar una primera filtración en caliente. El compuesto es separado luego en forma de cristales al enfriar la solución (cristalizar) y aquellas impurezas que aún quedaron en la disolución en frío, pasarán a través del papel filtro, quedándose retenidos los cristales purificados. Se lavan, se secan y se 31


determinan nuevamente sus características físicas. Cuando éstas permanecen constantes después de varias recristalizaciones, la sustancia puede considerarse al menos provisionalmente, pura y adecuada para los análisis subsiguientes. El punto crucial en el proceso de Recristalización es la elección adecuada del disolvente. La gran belleza de la cristalización como técnica de purificación, se debe a que la orientación de las moléculas en una red cristalina es un proceso extremadamente selectivo y delicado. La cristalización de sustancias diferentes en la misma red ocurre solamente en casos aislados. Si la disolución es coloreada y el compuesto es incoloro, debe agregarse una pequeña porción de carbón activado a la disolución fría, la mezcla es entonces calentada, y filtrada en caliente, el carbón adsorberá las impurezas coloreadas y/o malos olores si los hubiera. No siempre es fácil seleccionar el medio de cristalización (disolvente ideal); la solubilidad del compuesto debe ser conocida o debe ser hallada experimentalmente, como se realizó en la práctica Nº 1, solubilidad en disolventes orgánicos. En resumen los requisitos para la elección del solvente ideal son: a) El disolvente debe disolver una gran cantidad de la muestra a su temperatura de ebullición y sólo una pequeña cantidad a la temperatura ambiente o ligeramente por debajo de ella. b) Que en lo posible no tenga un punto de ebullición demasiado bajo (se evaporaría durante el proceso) ni demasiado alto (costaría mucho secar el precipitado obtenido). c) Al enfriarse debe suministrar rápidamente cristales bien formados del compuesto que se purifica, de los cuales debe separar con facilidad. Baja capacidad de disolución de las impurezas que contaminan al producto en cualquier rango de temperatura. d) No debe reaccionar con el soluto (la sustancia debe recuperarse inalterada y más pura) e) Su utilización no debe ser peligrosa, es decir, ni inflamable, tóxico o perjudicial para el medio ambiente. 32

Laboratorio de Química II f) Debe ser de bajo costo. Por otro lado el tema de la adsorción es un proceso físico donde un sólido se utiliza para

depositar sobre su superficie una sustancia soluble del agua. En este proceso el carbón activado es el sólido más utilizado. El carbón activado se produce específicamente para alcanzar una superficie interna muy grande (entre 500 - 1500 m2/g). Esta superficie interna grande hace que el carbón tenga una adsorción ideal. El carbón activo viene en dos variaciones: Carbón activado polvo (PAC) y carbón activado granular (GAC). La versión de GAC se utiliza sobre todo en el tratamiento de aguas. Otras características importantes que debe reunir un buen adsorbente son las siguientes: • Alta capacidad de adsorción. La relación dé equilibrio entre las fases influye en la eficacia con que se alcanza la capacidad final y, en muchos casos, controla la capacidad real del soluto. • Propiedades físicas y tamaño de partícula adecuados para garantizar la necesaria resistencia mecánica y facilidad de manejo, produciendo la menor pérdida de carga posible tanto en lechos fijos como en los móviles o fluidizados. • Coste bajo, tanto de la materia prima como del proceso de fabricación. • Fácil regeneración; por desorción, especialmente en el caso de los procesos continuos. En muchos casos, a nivel industrial, el producto que sale para la venta de una planta, tiene que estar bajo la forma de cristales. Los cristales se han producido mediante diversos métodos de cristalización que van desde los más sencillos que consisten en dejar reposar recipientes que se llenan originalmente con soluciones calientes y concentradas, hasta procesos continuos rigurosamente controlados y otros con muchos pasos o etapas diseñados para proporcionar un producto que tenga uniformidad en la forma, tamaño de la partícula, contenido de humedad y pureza. Las demandas cada vez mas crecientes de los clientes hacen que los cristalizadores sencillos por lotes se estén retirando del uso, ya que las especificaciones de los productos son cada vez más rígidas. 33

Laboratorio de Química II La cristalización es importante como proceso industrial por los diferentes materiales que son y pueden ser comercializados en forma de cristales. Su empleo tan difundido se debe probablemente a la gran pureza y la forma atractiva del producto químico sólido, que se puede obtener a partir de soluciones relativamente impuras en un solo paso de procesamiento. En términos de los requerimientos de energía, la cristalización requiere mucho menos para la

separación que lo que requiere la destilación y otros métodos de purificación utilizados comúnmente. Además se puede realizar a temperaturas relativamente bajas y a una escala que varía desde unos cuantos gramos hasta miles de toneladas diarias. La cristalización se puede realizar a partir de un vapor, una fusión o una solución. La mayor parte de las aplicaciones industriales de la operación incluyen la cristalización a partir de soluciones. 3. PROCEDIMIENTO

EXPERIMENTAL

a) Materiales: - Matraz - Vaso de 250 o 400ml - Rejilla de asbesto - Trípode - Embudo de vidrio - Pisceta - Probeta - Pinza metálica - Bagueta - Luna de reloj - Papel de filtro - Mechero de Bunsen b) Reactivos: - Ácido oxálico - Ácido benzoico -

Carbón activado - Agua destilada - Carboncillo - Azufre 34

Laboratorio de Química II c) Procedimiento RECRISTALIZACIÓN SIMPLE Muestra Problema: Acetanilida Pese 1 g de la muestra pulverizada, colóquela en un matraz de 250 mL. Agregue poco a poco 50 mL de agua destilada (disolvente ideal), previamente calentada agitando hasta disolución de la muestra. Caliente la solución a ebullición de 3 a 5 minutos (el calentamiento debe hacerse a baño maría sí se trabaja con un disolvente orgánico). Filtre la muestra precalentando el embudo de vidrio y el matraz donde recibirá el filtrado. De igual forma humedezca el papel de filtro con un poco de disolvente caliente. Al terminar de vaciar la solución enjuague el recipiente que lo contenía y el papel de filtro utilizando de 3 a 5 mL de disolvente caliente. Deje enfriar el filtrado a temperatura ambiente y posteriormente bajo chorro de agua fría hasta que se formen los cristales. Si la cristalización no ocurre, indúzcala frotando las paredes del recipiente de vidrio con la bagueta. Separe los cristales por filtración, lave los cristales con un poco de disolvente frío y déjelos secar. Pese los cristales y determine el porcentaje de rendimiento. RECRISTALIZACIÓN CON CARBÓN ACTIVADO

Muestra Problema: Ácido Benzoico Tome 1g de muestra problema (0.8g de ácido benzoico, 0.1g de azufre y 0.1g de carboncillo de lápiz) y colóquelo en un matraz de 250 mL. 35

Laboratorio de Química II Agregue 100 mL de agua previamente calentada y agite con la bagueta. Antes de agregar el carbón activado, deberá quitar la fuente de calentamiento y esperar a que la solución no se encuentre en ebullición. Agregue 1 a 2 % de carbón activado en relación al peso de la muestra y someta al calor hasta ebullición por 3 a 5 minutos, manteniendo constante el volumen del disolvente. Realice la filtración en caliente y luego enfríe la solución. Una vez formados los cristales, vuelva a filtrar lavando con porciones de agua destilada helada por 2 veces más. Los cristales obtenidos en el papel de filtro se secan hasta el siguiente día a temperatura ambiente, o en una estufa a 50°C. Finalmente pese los cristales y halle el porcentaje de rendimiento según la fórmula: Valor Experimental % de Re n dim iento = ×100 Valor Re al 4.

TABLA DE RESULTADOS

Muestra Problema Ácido Oxálico

Ácido Benzoico Disolvente Ideal Peso Inicial Peso Final % Rendimiento 36

Laboratorio de Química II 5. CUESTIONARIO

1. Métodos para inducir una cristalización. 2. ¿Qué cualidades debe tener un disolvente ideal para llevar a cabo una Recristalización? 3. Haga un esquema para elegir el solvente adecuado para realizar una buena recristalización, considerando que se trata de una muestra desconocida. 4. ¿En qué se fundamenta para decidir que su compuesto se purificó mediante esta técnica? 5. ¿Qué es el fenómeno de la adsorción y desorción? ¿qué tipo de adsorbentes conoce? 6. ¿Qué clases de carbones activados se utilizan? Dé dos ejemplos de aplicación industrial para cada uno y explique por qué el término activado. 7. ¿Cómo se produce industrialmente el carbón mineral, el carbón vegetal y el animal?

37


Laboratorio de Química II PRÁCTICA Nº 3 DETERMINACIÓN DE CONSTANTES FÍSICAS 1.

OBJETIVOS

a) Aplicar la determinación de constantes físicas como criterio de pureza. b) Determinar la identidad de una muestra problema a partir de la medición de su punto de fusión o ebullición, correlacionándolas con los valores reportados en la bibliografía. 2. PRINCIPIOS

TEÓRICOS Cada especie química o sustancia pura posee un conjunto de propiedades físicas y químicas propias por las cuales puede caracterizarse. De ellas son las constantes físicas las que nos permiten establecer la identidad de un compuesto puro, considerándolas como criterio de pureza. Entre ellas tenemos la determinación del punto de fusión en un sólido y el punto de ebullición en un líquido. TEMPERATURA DE FUSIÓN: Al calentar un sólido cristalino, sus átomos vibran con más energía. En cierto momento alcanzará una temperatura a la que estas vibraciones alteraran el orden de la estructura cristalina, los átomos pueden deslizarse unos sobre otros, el sólido pierde su forma definida y se convierte en una sustancia líquida. Este proceso es denominado fusión y la temperatura a la que sucede es la temperatura de fusión. El proceso inverso, la conversión de un líquido en sólido, se llama solidificación o congelación y la temperatura a la que sucede temperatura de congelación. El punto de fusión de un sólido y el punto de solidificación de un líquido son idénticos. A la temperatura de fusión el sólido y el líquido coexisten en equilibrio. La determinación de la temperatura de fusión de una sustancia orgánica cristalina, está dada por la temperatura a la cual dicha sustancia sólida pasa a estado líquido, lo cual permite formarse una idea bastante exacta de su grado de pureza. 39

Laboratorio de Química II Por lo general, la temperatura se mide con un termómetro, que consiste de un tubo capilar conectado en un extremo a un bulbo de paredes delgadas, el cual está lleno con un cierto líquido (comúnmente mercurio). A medida que la temperatura del bulbo se eleva, el líquido se expande y

sube por el capilar. La altura que alcanza el líquido en el capilar depende proporcionalmente de la temperatura. Los termómetros más usados para dicho fin son: • Termómetros de Mercurio. Son los de uso más corriente pues miden las temperaturas ordinarias. Pueden registrar temperaturas en el rango de -39 °C a +350 °C. • Termómetros para baja temperatura. El mercurio se sustituye por otros líquidos, generalmente coloreados. Los líquidos más utilizados son: alcohol (-110 °C a +40 °C), toluol (-90 °C a 110 °C) y éter de petróleo (-200 °C a +20 °C). Las principales causas de error en las lecturas de temperatura se deben a descalibración del termómetro la cual puede ser causada por diferentes factores tales como: • Contracción del vidrio por envejecimiento • Resistencia que opone el capilar al movimiento del mercurio • Evaporación del mercurio cuando las temperaturas son altas • Dilatación no uniforme del mercurio El sistema para determinar la temperatura de fusión de un sólido se prepara introduciendo una pequeña cantidad de muestra en un tubo capilar, sellándolo y atándolo a un termómetro justo a la mitad del bulbo de este y se calienta lentamente dentro de un tubo de Thiele provisto con un baño de aceite. Las sustancias puras funden regularmente a intervalos de máximo 1 °C, mientras que las mezclas lo hacen en intervalos de hasta 20 °C. Para colocar la muestra en el capilar sellado, se coloca dicha sustancia en una luna de reloj formando un cerrito y luego presionando el capilar sobre ella. Luego se voltea el capilar y se pasa a través de un tubo de vidrio largo, soltándolo con cuidado 40

Laboratorio de Química II para que no se rompa, de tal forma que la muestra se compacte en la base del capilar. Un punto de fusión fijo puede indicar que: a. La sustancia es químicamente pura b. La sustancia es una mezcla eutéctica de dos o más compuestos, la cual es una mezcla sólida cuyo punto de fusión es inferior al de cada uno de los componentes por separado. Un punto de fusión indefinido puede indicar que: a. La sustancia es impura b. La sustancia es pura pero el producto puede haber sufrido una descomposición, luego los productos resultantes actúan como impurezas y bajan el punto de fusión c. La sustancia es una mezcla azeotrópica de dos o más compuestos. TEMPERATURA DE EBULLICIÓN: La energía cinética de las moléculas de un líquido, está cambiando continuamente a medida que chocan con otras moléculas. En cualquier momento, algunas de las moléculas de la superficie adquieren suficiente energía para superar las fuerzas de atracción y escapan a la fase gaseosa ocurriendo la evaporación. La velocidad de evaporación aumenta a medida que se eleva la temperatura del líquido. 41


La temperatura de ebullición normal de un líquido se define como la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido se iguala a la presión atmosférica. En este punto, el vapor no solamente proviene de la superficie sino que también se forma en el interior del líquido produciendo burbujas y turbulencia que es característica de la ebullición. La temperatura de ebullición permanece constante hasta que todo el líquido se haya evaporado. Cuando se habla de la temperatura de ebullición se debe especificar la presión (siempre que sea posible referirse a 760 mmHg), dado que la temperatura de ebullición de un líquido varía notablemente con la presión. El procedimiento para medir un punto de ebullición consiste en colocar dentro de un tubo de vidrio de aproximadamente 7 cm de longitud por 3 - 5 mm de diámetro, una pocas gotas de la sustancia problema a medir, y en colocar dentro de este tubo, un capilar con su extremo superior sellado al calor. Se ata entonces este sistema a un termómetro y se procede como en el caso anterior. La temperatura de ebullición se determina del promedio de valores cuando del tubo capilar comienza a brotar una rápida sucesión de burbujas (T1) y al retirar la llama del mechero, al momento de ingresar el líquido al capilar (T2). Un punto de ebullición definido indica que el líquido es puro o que se trata de una mezcla azeotrópica de dos o más compuestos, la cual es una mezcla líquida cuyo punto de ebullición es constante y la composición en el vapor es idéntica a la composición en el líquido. Un punto de ebullición no preciso indica que la sustancia es impura. El estudio de las presiones de vapor y por consiguiente de los puntos de ebullición es la base de la operación de destilación. Ejemplos de muestras a las cuales se les ha determinado su punto de fusión o ebullición: 42

Laboratorio de Química II Sustancia Punto de Sustancia Punto de Sólida Fusión

Líquida Ebullición Naftaleno 80,0 °C Acetato de Etilo 77 °C Fenol 42,0 °C Cloroformo 61 °C Ácido Benzoico 121 °C Alcohol Isopropílico 83 °C Ácido Cítrico 100 °C Ciclohexano 80 °C Glucosa 90 °C n-Hexano 68 °C Urea 132 °C Tolueno 111 °C Furano 32 °C Acetona 56 °C Dioxano 102 °C benceno 80 °C Algunas de las recomendaciones para un buen trabajo en el laboratorio con respecto a este último tema son: • Calentamiento uniforme, que evite un sobrecalentamiento y una posible descomposición de la muestra. • Capilares limpios y secos. • Empacar firmemente el capilar, asegurándonos que no quede vacíos en la muestra.

• Anotar la presión atmosférica a la cual se trabaja para el caso del punto de ebullición. • Verificar el termómetro con el que se va a trabajar. 3. PROCEDIMIENTO

EXPERIMENTAL

a) Materiales: - Vaso de precipitados - Tubo de Thiele - Termómetro - Tubo de prueba - Capilares de 5cm de largo - Liga o pita - Soporte universal - Pinza con nuez - Cocinilla o mechero - Trípode - Rejilla de asbesto 43

Laboratorio de Química II b) Reactivos Muestras sólidas: - Ácido benzoico - Ácido Oxálico Muestras líquidas: - Acetona - Alcohol etílico Baños:

- Agua - Aceite c) Procedimiento PUNTO DE FUSIÓN: Método del Tubo Capilar o de Fusión Lenta Una sustancia seca se pulveriza en un mortero o con una espátula sobre una luna de reloj. 44

Laboratorio de Química II El polvo es introducido en un tubo capilar (uno de cuyos extremos debe haber sido cerrado a la llama) de modo que conforme una capa de 2 mm de altura más o menos, esto se logra presionando el extremo abierto del capilar sobre la muestra varias veces con golpes suaves. Después se adhiere el capilar al termómetro de manera que la muestra quede junto al bulbo del termómetro y en conjunto se introducen en un tubo Thiele con baño de aceite.

Se inicia el calentamiento con una llama mediana manteniendo el mechero inclinado y moviéndolo continua y lentamente para que el calentamiento sea uniforme. Si la sustancia tiene un punto de fusión alto, puede calentarse al principio rápidamente hasta las proximidades del punto de fusión, disminuyendo entonces la calefacción para que la temperatura ascienda lentamente. Cuando la materia se reblandece y empieza a fundir tornándose transparente, anotar la temperatura (T1) .Cuando toda la sustancia se funde anotar la temperatura (T2). PUNTO DE EBULLICIÓN Se coloca 1 mL de la sustancia en el tubo de ensayo y se sumerge en el líquido, un tubo capilar de 5 cm. de largo con el extremo cerrado invertido (hacia arriba). Se sujeta el tubo al termómetro mediante un trocito de jebe, alambre o hilo y todo el conjunto se sumerge en un baño adecuado (agua o aceite). Se calienta lentamente hasta que la muestra hierva desprendiendo un hilo de burbujas continuo, anotar la temperatura (T1) en el instante en que el liquido empiece a ascender en el tubo capilar anotar la temperatura (T2). Nota: Para ambos casos, de acuerdo a la tabla disponible identifique el compuesto, por su punto de fusión o ebullición, calcule el porcentaje de error. 45

Laboratorio de Química II PUNTO DE SUSTANCIA EBULLICIÓN (° C) Benceno 80.1

Acetona

56.0

Alcohol etílico 78.5

Cloroformo

61.0

n-hexano

81.4

Metanol

65.0

PUNTO DE

SUSTANCIA FUSIÓN (° C) Anhídrido ftálico 130,8 A-Naftol 96,0 Ácido benzoico 121,7 Ácido oxálico 101,5 Acetanilida 113,4 Urea 132,0 4.

TABLA DE RESULTADOS

Punto Fusión Punto Fusión

Muestra Porcentaje de Error Teórico Experimental Punto Ebullición Punto Ebullición Muestra Porcentaje de Error Teórico Experimental 46


1. ¿Por qué es importante: a) empacar firmemente la muestra en el capilar, b) calentar lenta y moderadamente el líquido del baño cerca al punto de fusión, c) usar capilares limpios y secos? 2. Explicar por que el tubo de Thiele tiene esa forma para determinar el punto de fusión. 3. Explique el método semimicro de Siwoloboff en el punto de ebullición. 4. ¿Cuál es la teoría molecular que sustenta el mayor o menor punto de ebullición de un compuesto con respecto a otro? 5. Defina que es la constante Ebulloscópica y la constante Crioscópica. 6. ¿Qué otras constantes físicas se pueden utilizar para establecer la identidad de una sustancia sólida?

47


Laboratorio de Química II PRÁCTICA Nº 4 ÍNDICE DE REFRACCIÓN 1. OBJETIVOS

a) Determinar el índice refracción de muestras conocidas b) Estudiar la relación concentración de sacarosa y el índice de refracción. 2.

PRINCIPIOS TEÓRICOS Índice de refracción Cuando un haz de luz que se propaga por un medio ingresa a otro distinto, una parte del haz se refleja mientras que la otra sufre una refracción, que consiste en el cambio de dirección del haz. Para esto se utiliza el llamado índice de refracción del material, que nos servirá para calcular la diferencia entre el ángulo de incidencia y el

de refracción del haz (antes y después de ingresar al nuevo material). El efecto de la refracción se puede observar fácilmente introduciendo una varilla en agua. Se puede ver que parece quebrarse bajo la superficie. En realidad lo que sucede es que la luz reflejada por la varilla (su imagen) cambia de dirección al salir del agua, debido a la diferencia de índices de refracción entre el agua y el aire. Se utiliza la letra n para representar el índice de refracción del material, y se calcula por la siguiente fórmula: co n = v n : índice de refracción del medio en cuestión co : velocidad de la luz en el vacío (3x108 m/s) v : velocidad de la luz en el medio en cuestión Es decir que es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en el medio. 49

Laboratorio de Química II Dado que la velocidad de la luz en cualquier medio es siempre menor que en el vacío, el índice de refracción será un número siempre mayor que 1. En el vacío: n=1 En otro medio: n>1 Ley de refracción (Ley de Snell) n1 . senΘ1 = n2 . senΘ2 Θ 1 es el ángulo entre el haz incidente y la normal (perpendicular) a la superficie Θ 2 es el ángulo entre el haz refractado y la normal a la Superficie 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL a) Materiales - Equipo para medir índice de refracción - Micro pipetas - Vasos de precipitados - Algodón - Balanza analítica - Refractómetros 50

Laboratorio de Química II b) Reactivos: -

Sacarosa - Uvas - Tetracloruro de carbono - Hexano - Ciclohexano - Benceno c) Procedimiento: Prepara las siguientes soluciones en % Brix, propuestas en la siguiente tabla: Escala Brix (sacarosa) IR % Brix teórico 5,0 1,3403 20,0 1,3639 35,0 1,3902 50,0 1,4200 65,0 1,4532 80,0 1,4901 85,0 1,5003 Pida instrucciones sobre el manejo del refractómetro. Lea el índice refracción de cada solución y escríbalo en la tabla. Lea el índice de refracción de las siguientes soluciones: Jugo de Uvas, Tetracloruro de carbono, Ciclohexano. Discuta los resultados obtenidos comparándolos con los valores teóricos. 4.

TABLA DE RESULTADOS

Complete la siguiente tabla de resultados según los datos obtenido en cada caso experimental.

51

Laboratorio de Química II IR % Brix IR experimental teórico 5,0 1,3403 20,0 1,3639 35,0 1,3902 50,0 1,4200 65,0 1,4532 80,0 1,4901 85,0 1,5003 5. CUESTIONARIO

1. ¿Qué significado tienen los grados Brix? 2. En forma detallada explique como funciona un refractómetro. 3. ¿Por qué el índice de refracción es un criterio de pureza? 4. ¿Que relación puede establecer entre el índice de refracción y el contenido de azúcar de las uvas. 5. Interprete con un ejemplo práctico la ley de Snell 52

Laboratorio de Química II PRÁCTICA Nº 5 REACCIÓN DE LASSAIGNE

1.

OBJETIVOS

a) Aprender y aplicar la técnica de la fusión alcalina como complemento en el análisis cualitativo de una muestra orgánica. b) Reconocer la presencia de nitrógeno, azufre y halógenos en muestras orgánicas mediante reacciones específicas. 2.

PRINCIPIOS TEÓRICOS En la caracterización de un compuesto orgánico es esencial conocer los elementos químicos que lo forman. Sin embargo para que los ensayos cualitativos tradicionales puedan ser aplicados, los elementos deben ser transformados desde su forma covalente, en la que generalmente se encuentran, a iones sencillos. Los elementos que comúnmente se encuentran en los compuestos orgánicos son: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo y los halógenos. Los gases de una combustión completa de materia orgánica, deben ser: agua, dióxido de carbono, más otros elementos presentes en ésta. La combustión completa se logra utilizando óxido cúprico como catalizador. Los gases son recibidos en un recipiente que contiene agua de cal (solución decantada de hidróxido de calcio), el dióxido reacciona con el calcio y forma carbonato de calcio, que se presenta como precipitado en la reacción. El hidrógeno y el oxígeno se reconocen fácilmente por la condensación de agua sobre las superficies frías del reactor. Para el reconocimiento de azufre y nitrógeno es necesario someter la sustancia orgánica a una fusión alcalina o método de Lassaigne y sus respectivas variantes, mediante la cual estos elementos se transforman en iones fácilmente identificables. Para el reconocimiento de 53

Laboratorio de Química II halógenos se emplea el test de Beilstein, con este se aprecia la coloración verde-azulado

de los halogenuros de cobre. La reacción siguiente representa una reacción general de fusión CxHyOzStNrXe (materia orgánica) + Na → NaS + NaCN + NaX En donde X representa a los halógenos. 3.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

a) Materiales - Mechero Bunsen - Vaso de precipitado de 250 ml - Vaso de precipitado de 150 ml - Pinzas para tubo de ensayo - Tubos de ensayo - Agitador de vidrio - Luna de reloj - Embudo de vidrio - Pipeta graduada de 5 ml - Espátula - Pisceta para agua b) Reactivos - Sodio metálico - Nitroprusiato de sodio - Nitrato de plata - Sulfato ferroso - Acido acético

- Acido sulfúrico cc. - Acido clorhídrico cc. - Acetato de plomo - Acido nítrico cc. - Hidróxido de amonio - Muestra Problema c) Procedimiento Identificación de Nitrógeno, Azufre y Halógenos: Método de la fusión alcalina (Prueba de Lassaigne). En un tubo de ensayo limpio y seco, coloque sodio metálico en trozos pequeños (extreme los cuidados al trabajar con sodio. Use las gafas de protección, use las pinzas para tubo, evite el contacto del sodio con la piel ya que puede 54

Laboratorio de Química II ocasionarle quemaduras. No lo ponga en contacto con el agua, pues reacciona violentamente). Con las pinzas lleve el tubo a la llama del mechero y caliéntelo moderadamente hasta que funda el sodio (se forma un glóbulo metálico). Retire el tubo de la llama, agregue 100 mg de muestra problema y caliente nuevamente de manera uniforme, manteniendo el tubo en la llama hasta que alcance el rojo vivo durante 10 minutos. Inmediatamente deje caer el tubo de ensayo dentro de un vaso de precipitado de 100 mL que contenga 25 mL de agua destilada y con un suave golpe rompa el tubo de ensayo. Filtre la solución en caliente; el filtrado deberá ser transparente, traslúcido y de pH alcalino, en caso contrario empezar de nuevo prolongando el tiempo de calentamiento. Con el filtrado se harán las siguientes pruebas: Identificación de nitrógeno

En un tubo de ensayo coloque unos cristales de sulfato ferroso y agregue 1 mL del filtrado. Caliente con cuidado y agitación continua hasta ebullición durante 1 minuto. Inmediatamente agregue con precaución gotas de ácido sulfúrico diluido (1:1) con el fin de disolver los hidróxidos, ferroso y férrico, que se hubieran formado por la oxidación con el aire durante la ebullición. El pH deberá ser ácido. Deje reposar el tubo durante 5 ó 10 minutos. La aparición de un precipitado o coloración azul de Prusia indica la presencia de nitrógeno. Identificación de azufre. En un tubo de ensayo coloque 1 mL del filtrado, acidule con 2 gotas de ácido acético diluido (1:1) agregue gotas de solución de acetato de plomo hasta la aparición de un precipitado negruzco que indica la presencia de azufre en forma de ion sulfuro. Caliente si fuera necesario. 55

Laboratorio de Química II En otro tubo de ensayo coloque 1 mL de filtrado y agregue 2 gotas de solución de Nitroprusiato de Sodio. La aparición púrpura indica la presencia de azufre. Identificación de halógenos En un tubo de ensayo coloque 1 ml de filtrado, acidule con 2 gotas de ácido nítrico diluido (1:1) y caliente hasta ebullición para eliminar a los sulfuros en forma de ácido sulfhídrico y a los cianuros como ácido cianhídrico (Verifique la eliminación de sulfuros, colocando en la boca del tubo un papel filtro humedecido solución de acetato de plomo. La eliminación ha sido completa cuando el papel filtro no se oscurece por la formación de PbS). Añada entonces 4 gotas de solución de nitrato de plata hasta la aparición de un precipitado de halogenuro (s) de plata. a. Cloruro: El cloruro de plata es un precipitado blanco caseoso que por acción de la luz o el calor toma un color violeta oscuro. Este precipitado es soluble en hidróxido de amonio y vuelve a precipitar si se agrega ácido nítrico.

b. Bromuro: El bromuro de plata es un precipitado amarillo crema. Es parcialmente soluble en hidróxido de amonio. c. Yoduro: El yoduro de plata es un precipitado amarillo que es insoluble en hidróxido de amonio. 4.

TABLA DE RESULTADOS

MUESTRA ELEMENTOS REACCIONES PROBLEMA Nitrógeno Azufre Cloro Bromo Yodo 56


1. Después de romper el tubo de ensayo ¿Por qué la solución en el agua queda básico y qué haría para neutralizarlo sin malograr la muestra? 2. Después de identificar el N y S se recomienda añadir HNO3 ¿Por qué?

3. ¿Qué otro compuesto se puede añadir para identificar el cloro? Escriba la reacción completa y explique. 4. Para Identificar al Bromo, se añade a una muestra “x” , KMnO4 y H2SO4 cc, a la cual al final se le añade CHCl3 formándose un precipitado rojo marrón. Escriba las ecuaciones involucradas. 57


Laboratorio de Química II PRÁCTICA Nº 6 IDENTIFICACIÓN CUALITATIVA DE ALCOHOLES Y FENOLES 1. OBJETIVOS

1. Reconocer a los alcoholes usando reactivos específicos de identificación. 2. Diferenciar los tipos de alcoholes: Primarios, Secundarios y Terciarios. 3. Distinguir mediante la reacción con FeCl3 un alcohol de un fenol. 2.

PRINCIPIOS TEÓRICOS La gran cantidad de sustancias orgánicas obliga a clasificar a los compuestos por familias. Cada integrante de una familia posee un átomo, grupo de átomos o enlaces que los caracteriza y son conocidos como GRUPOS FUNCIONALES.

El grupo funcional generalmente es una porción reactiva de la molécula, cuya presencia significa que el compuesto presentará ciertas características particulares, pudiendo un compuesto tener más de un grupo funcional. Dentro de los más importantes tenemos: alcoholes, fenoles, aldehidos, cetonas, ácidos carboxílicos, etc. La identificación cualitativa de los compuestos orgánicos será posible entonces, gracias a una serie de reacciones características para cada grupo funcional. Puede que más de un grupo funcional de una misma reacción característica, por lo que será necesario aplicar alguna otra más específica para discernir entre estos; se dice entonces que podemos tener una interferencia en la identificación, precisamente por darnos positiva una reacción que no contiene el compuesto a determinar. En esta práctica se trabajara específicamente con reacciones de identificación para alcoholes y fenoles. 59

Laboratorio de Química II Los alcoholes son el grupo de compuestos químicos que resultan de la sustitución de uno

o varios átomos de hidrógeno (H) por grupos hidroxilo (-OH) en los hidrocarburos saturados o no saturados. Los alcoholes se pueden representar por la fórmula general R—OH, donde el grupo característico hidroxilo se encuentra unido a un carbono alifático. Los alcoholes pueden ser primarios, secundarios o terciarios, según el tipo de átomo de carbono al que va unido el grupo —OH, esto es, según que este carbono vaya unido a su vez a uno, dos o tres átomos de carbono, respectivamente. Los alcoholes están ampliamente distribuidos en la naturaleza y tienen muchas aplicaciones industriales y farmacéuticas. El etanol, por ejemplo, es una de las sustancias orgánicas más simples y mejor conocidas, y se usa como aditivo de combustibles, como disolvente industrial y en las bebidas; el mentol, un alcohol aislado de la menta, se usa mucho como saborizante y en perfumería; y el colesterol, un alcohol esteroide cuya fórmula tiene aspecto complicado, se considera un agente que causa enfermedades del corazón. Los alcoholes pueden obtenerse por: Hidratación de alquenos, hidrólisis de halogenuros de alquilo, reducción de compuestos carbonílicos o mediante reactivos de Grignard. 60

Laboratorio de Química II Los alcoholes se nombran sistemáticamente sustituyendo por la terminación ol la o terminal del hidrocarburo del que derivan e indicando la posición del —OH por un número, que

suele colocarse al final del nombre, por ejemplo 2-propanol. Se usan también con frecuencia nombres comunes, formados por la palabra alcohol seguida del nombre, terminado en ico, del radical que soporta el grupo —OH, por ejemplo alcohol isopropílico. Los fenoles, son compuestos químicos de fórmula general Ar— OH, es decir, el grupo hidroxilo se encuentra unido a un carbono aromático. Los fenoles se nombran como derivados del primer término, fenol, precedido del nombre y posición de los restantes sustituyentes. Están presentes en las aguas naturales, como resultado de la contaminación ambiental y de procesos naturales de descomposición de la materia orgánica. Los grupos funcionales fenólicos son importantes en las sustancias húmicas acuáticas. Estos tipos de fenoles combinados le confieren sabor y olor al agua, aunque su ingestión no resulta peligrosa. Los fenoles son ácidos más fuerte que los alcoholes saturados, atribuyéndole el incremento de su fuerza de ácida, a la conjugación del grupo –OH con el núcleo bencénico. Los fenoles se sintetizan por fusión de sulfonatos con álcalis, por descomposición de sales de diazonio en condiciones adecuadas, tratando los derivados halogenados de los hidrocarburos bencénicos con soluciones de álcalis a altas temperaturas. La relación de los alcoholes y fenoles con el agua se pone de manifiesto en muchas de sus propiedades fisicoquímicas. Así, por ejemplo, los primeros términos de la serie de los alcoholes, de uno a tres átomos de carbono, son completamente miscibles con el agua, con la que forman enlaces de hidrógeno, análogos a los que existen entre las propias moléculas de agua o de los alcoholes entre sí. Al incrementarse el número de átomos de carbono de la cadena hidrocarbonada, se hace cada vez menor la influencia relativa del grupo hidroxilo, por lo que disminuye mucho su solubilidad en agua, siendo prácticamente insolubles los alcoholes con diez o más átomos de carbono. Tanto en el estado sólido como en el líquido, las moléculas de los alcoholes y fenoles están muy asociadas mediante enlaces de 61

Laboratorio de Química II hidrógeno, formando cadenas de varias moléculas, lo que explica sus puntos de fusión y de ebullición anormalmente elevados. Como ocurre en general, en todas las series homólogas, los puntos de fusión y de ebullición de los alcoholes de cadena lineal aumentan con el número de átomos de carbono. Así, los alcoholes inferiores son líquidos incoloros, muy fluidos y relativamente volátiles; los de 6 a 11 átomos de carbono son ya líquidos viscosos; y el dodecanol, esto es, con 12 átomos de carbono (alcohol laurílico), es el primer alcohol de cadena lineal que es sólido a la temperatura

ambiente. Entre las principales reacciones de identificación de alcoholes tenemos: a) Reacción con Sodio Metálico Los alcoholes reaccionan con los metales alcalinos como el litio, sodio o potasio metálico y aún con los alcalino-térreos como el calcio produciendo un alcóxido metálico de carácter básico, desprendiendo una gran energía. El hidrógeno del hidroxilo es reemplazado por el metal desprendiéndose en estado gaseoso. La facilidad de formación de los alcóxidos, va de acuerdo a la acidez. Los alcoholes más ácidos, como el etanol y el metanol, reaccionan rápidamente con sodio para formar metóxido y etóxido de sodio. Los alcoholes secundarios, como el 2-butanol, reaccionan con velocidad más moderada. Los alcoholes terciarios, como el alcohol t-butílico, reaccionan lentamente. Con los alcoholes terciarios con frecuencia se usa el potasio, K, porque es más reactivo que el sodio y la reacción puede completarse en un tiempo razonable. b) Reacción de Esterificación Se denomina esterificación al proceso por el cual se sintetiza un éster. Los alcoholes tienen comportamiento básico frente a los ácidos orgánicos de mayor acidez que ellos, produciendo ésteres y agua. Esta reacción es similar a la de la neutralización en química inorgánica. c) Reacciones de Oxidación Los alcoholes primarios y secundarios sufren reacciones de oxidación, produciendo aldehídos y cetonas 62

Laboratorio de Química II respectivamente; los aldehídos pueden sufrir oxidaciones superiores hasta ácidos carboxílicos empleando una serie de oxidantes como: • Reactivo Permanganato de potasio.- Es la alternativa más económica en comparación con los oxidantes de cromo. El permanganato oxida a los alcoholes secundarios llegando a la cetona, los alcoholes primarios a ácidos carboxílicos. Las oxidaciones con permanganato se deben controlar con cuidado, porque de otra manera el oxidante fuerte romperá los enlaces

carbono-carbono. • Procedimiento con Reactivo Beckman.- El reactivo ácido crómico constituye el procedimiento más eficiente para oxidar alcoholes secundarios en el laboratorio. El ácido crómico se prepara disolviendo dicromato de sodio en una mezcla de ácido sulfúrico y agua. La especie activa en la mezcla probablemente sea el ácido crómico, o bien el ión cromato ácido. Cuando la prueba del ácido crómico se efectúa con un alcohol primario o secundario, el color anaranjado cambia a verde o azul. La oxidación de un alcohol secundario origina una cetona y la semejante de un primario origina un aldehído. Éste se oxida fácilmente para dar un ácido carboxílico. Por lo general es difícil obtener un aldehído, porque la mayor parte de los agentes oxidantes que pueden oxidar el alcohol primario, también oxidan al aldehído. Los alcoholes terciarios son difícilmente oxidables, necesitándose de condiciones drásticas. La prueba del ácido crómico con un alcohol terciario no vira el color anaranjado del reactivo. Para la identificación de fenoles la prueba característica es la reacción con el Tricloruro férrico. d) Reacción con Tricloruro Férrico.- Los compuestos fenólicos con el FeCl3 dan coloraciones características azul, verde o violeta. Estos productos coloreados son sales férricas fenoxídicas. 63

Laboratorio de Química II 3. PROCEDIMIENTO

EXPERIMENTAL

a) Materiales - Tubos de ensayo

- Gradilla - Vaso de precipitados - Pinza para tubos - Trípode - Rejilla de asbesto - Mechero b) Reactivos - Sodio metálico - Ácido salicílico - Ácido sulfúrico concentrado - Ácido clorhídrico - Permanganato de potasio - Reactivo de Beckman - Alcohol metílico - Alcohol etílico - Alcohol isopropílico - Alcohol terbutílico - Agua destilada c) Procedimiento Reacción con Sodio Metálico En un tubo de ensayo coloque 15 gotas de un alcohol primario y añada con sumo cuidado un trocito de sodio metálico. Repita el procedimiento con un alcohol secundario y otro terciario. Compare las velocidades de formación.

Para comprobar la presencia del alcóxido, agregue al tubo de ensayo 1 gota de indicador fenolftaleína. ¿Qué color adopta la solución y porqué? Reacción de Esterificación En un tubo de ensayo coloque 2 mL de alcohol, unos cristales de ácido salicílico y dos gotas de ácido sulfúrico concentrado. 64

Laboratorio de Química II Sométalo a baño maría durante 3 minutos, luego viértalo en un vaso que contenga 10 mL agua fría, con el objeto de poder captar el olor característico del éster formado. Repita el experimento utilizando 1 mL de ácido acético en vez de ácido salicílico. Reacciones de Oxidación • Procedimiento con Reactivo Permanganato de potasio: En 3 tubos de ensayo agregue 1 mL de alcohol primario, secundario y terciario. Añada 2 gotas de ácido clorhídrico y 1 gota de KMnO4, respectivamente. Colóquelo en baño maría por un minuto si no observa cambio alguno. Compare en cada caso. • Procedimiento con Reactivo Beckman: En 3 tubos de ensayo coloque 1 mL de alcohol primario, secundario y terciario. Agregue 1 gotas de H2SO4 concentrado y luego 2 gotas de Reactivo Beckman, agitar. Coloque en baño maría si fuera necesario. Observe el cambio de color en la solución y compare en cada caso. • Prueba de Detección de Fenoles

En un tubo de ensayo coloque 1 mL de una muestra de fenol y en otro tubo 1 mL de alcohol etílico. Luego a cada uno de ellos agregue 2 gotas de solución de FeCl3 al 1% en agua. Observe y anote sus resultados. 65


TABLA DE RESULTADOS

FUNCIÓN HIDROXILO Tipo de Ensayo Reacción Química Evidencia de Reacción Con Sodio metálico Esterificación Oxidación con KMnO4 Oxidación con Beckman Detección de Fenoles 5. CUESTIONARIO

1.

Explique la diferencia entre alcohol Etílico absoluto, alcohol etílico 96 %, y alcohol etílico desnaturalizado. 2.

Deshidratando el alcohol etílico con ácido sulfúrico se obtiene etileno ¿Cuántos litros de etileno se obtendrán a 0ºC y 760 mmHg, a partir de 10 gramos de alcohol? 3.

Investigue el método o métodos para producir industrialmente el etanol. 4.

En las reacciones de oxidación de los alcoholes con el KMnO4 en medio ácido, ¿De qué tipo de alcohol se trataría, si se obtuvieron los siguientes compuestos: ácido propanoico, acetona y formol como productos finales respectivamente? 5.

Una sustancia reacciona rápidamente con el sodio metálico y con el tricloruro férrico, presenta una coloración azul intensa ¿Qué sustancia será y porqué? 6.

¿En qué consiste el reactivo de Nessler y cuál es su aplicación? 66

Laboratorio de Química II PRÁCTICA Nº 7

IDENTIFICACIÓN CUALITATIVA DE ALDEHIDOS, CETONAS Y ÁCIDOS CARBOXÍLICOS 1.

OBJETIVOS

a) Comprobar las propiedades de aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos mediante diversas reacciones características de los grupos funcionales. b) Reconocer la presencia del grupo carbonilo y carboxilo. 2.

PRINCIPIOS TEÓRICOS Aldehídos y cetonas Los aldehídos son compuestos que tienen un radical sustituido por un hidrógeno y a las cetonas que tienen el grupo carbonilo unido a un átomo de carbono saturado. Tanto los aldehídos como las cetonas son líquidos (excepto el metanal, que es un gas), y debido a su polaridad tienen puntos de ebullición altos. Los aldehídos y cetonas de menor número de átomos de carbono son miscibles en agua, ya que forman enlaces por puente hidrógeno. Pueden dar lugar a reacciones de adición electrofílica, considerando que sobre el carbono existe una cierta carga positiva que le permite interaccionar con sustancias dadoras de electrones como son las bases de Lewis o el amoniaco. Para el reconocimiento de aldehídos y cetonas, se hace inicialmente una prueba general para compuestos carbonílicos con 2,4-dinitro-fenil-hidrazina, que conduce a la formación de 2,4-dinitro-fenil-hidrazonas correspondientes, que son sólidas. La formación del precipitado es prueba positiva para aldehídos y cetonas. En consecuencia para diferenciarlos se deben efectuar otros ensayos como los de Fehling, Tollens y Schiff. Ensayo con 2,4-dinitro-fenil-hidrazina: La presencia del grupo carbonilo puede ser detectado por reacción con la 2,4-dinitrofenilhidrazina (2,4-DNFH) formando 67

Laboratorio de Química II precipitados de color amarillo o naranja de 2,4- dinitrofenilhidrazonas del aldehído o cetona correspondiente. Con cetonas: R-CO-R + H2NNC6H3(NO2)2 → RR’-C=NNC6H3(NO2)2 + H2O Cristales coloreados Con aldehídos: R-CHO + H2NNC6H3(NO2)2 → R-CH=NNC6Hn(NO2)2 + H2O Cristales coloreados Reacción con el reactivo de Schiff: Los aldehídos pueden ser detectados por el reactivo de Schiff (fucsina decolorada) con el cual dan una coloración violeta. Esta prueba especifica para aldehídos, aunque es ligeramente positiva para la acetona (propanona) y es negativa para las otras cetonas. Ensayo con el reactivo de Fehling: El reactivo de Fehling proporciona, a partir de la mezcla de dos soluciones al momento de usar, el ion cúprico que en medio alcalino en forma de un complejo cupro-tartárico, que oxida a los aldehídos pero no a las cetonas, de acuerdo con la siguiente reacción: La formación del precipitado rojo de óxido cuproso es prueba positiva para aldehídos.

Ensayo con el reactivo de Tollens: El reactivo de Tollens contiene el ion plata en forma de un complejo amoniacal. El ion plata se reduce a plata metálica, formando un espejo de plata, en presencia de aldehídos que se oxidan hasta los correspondientes 68

Laboratorio de Química II ácidos que forman a su vez las sales. También se reduce en presencia de azúcares que son fácilmente oxidables. Las cetonas pueden dar la prueba positiva solamente si se hace un calentamiento excesivo. Los ácidos carboxílicos Se caracterizan por la presencia del grupo carboxilo (-COOH), que les confiere el comportamiento ácido. Por la naturaleza de la función, sólo puede presentarse en los extremos de una cadena lineal o ramificada en forma similar al de los aldehídos. Los ácidos orgánicos se disocian en disolventes polares como el agua. Los términos inferiores de esta serie de ácidos son líquidos que poseen un olor picante, son además miscibles en agua. Los términos medios C4 - C9, ofrecen un olor que recuerda al sudor y no son totalmente miscibles con el agua. Los términos superiores del C10 en adelante, son sólidos inodoros de aspecto análogo a la parafina y apenas se disuelven en agua. Todos ellos son solubles en alcohol y éter. Estos ácidos dan coloración rojiza al papel de tornasol, característica de los ácidos. Para el reconocimiento de los ácidos carboxílicos los ensayos con bicarbonato de sodio e indicadores, son muy útiles pues permiten establecer el carácter ácido de la sustancia analizada. Ensayo con bicarbonato de sodio: El bicarbonato de sodio es una base débil por lo tanto reacciona con ácidos relativamente fuertes; esto se observa por el desprendimiento de un gas (CO2). Esta prueba sirve para distinguir los ácidos relativamente fuertes de los ácidos más débiles. Reacción con Bases Fuertes.- Los ácidos carboxílicos reaccionan con las bases fuertes como el NaOH y el KOH, para formar sales y dependiendo del tipo de ácido carboxílico como los grasos, formarán “jabones”. Ensayo con indicadores: Con el papel tornasol se observa si la solución es ácida o básica; con el papel indicador universal se puede hallar el pH aproximado de la solución de la sustancia; y con el indicador rojo congo se observa si el pH de la solución es menor a 4,8 (color azul) o mayor de 4,8 (color rojo). 69

Laboratorio de Química II Ensayo de yoduro-yodato: Esta prueba se basa en la siguiente reacción que en medio débilmente ácido, ocurre rápidamente liberando yodo el cual se detecta fácilmente con almidón. (IO3)- + 5I- + 6H+ → 3I2 + 3H2O 3.


a) Materiales - Tubos de ensayo - Gradilla - Vaso de precipitados - Pinza para tubos - Trípode - Rejilla de asbesto - Mechero b) Reactivos - Acetona - Formaldehído - 2,4 – DNFH

- Etanol - Reactivo de Schiff - Reactivo de Fehling A y B - Reactivo de Tollens - Solución de KMnO4 2% - Ácido sulfúrico 1:10 - Papel indicador de pH - Ácido acético - Ácido oleico - Ácido esteárico - Solución de hidróxido de sodio al 20% - Solución de bicarbonato de sodio al 5% 70

Laboratorio de Química II c) Procedimiento RECONOCIMIENTO DE ALDEHIDOS Y CETONAS Reacción con la 2,4-dinitrofenilhidrazina para formar hidrazonas: En un tubo de ensayo coloque 0,5 mL de formaldehído y agregue 0,5 mL de etanol. Agite. Luego añada 5 gotas de reactivo de 2,4-DNFH, agite y observe si se forma algún precipitado. Si no hay formación de precipitado inmediatamente raspar las paredes del tubo con una varilla de vidrio y esperar 10

minutos, de lo contrario llevar a baño maría por 5 minutos. Enfriar y observar si hay formación de precipitado. Repetir la prueba utilizando acetona. Reacción con el Reactivo de Schiff: Tome en dos tubos por separado, 1 mL de formaldehído y 1 mL de acetona. Agregue a cada uno de ellos 2 gotas del reactivo Schiff, agite y observe. Una coloración rojo violáceo intensa, le indicará un resultado positivo. Reacción con el Reactivo de Fehling: Preparación del reactivo.- En dos tubos de ensayo coloque 10 gotas de Fehling “A” a cada uno, luego agregue 10 gotas de Fehling “B”, agite hasta que se observe una solución azul intenso. Para la prueba de fehling, adicione al primer tubo 1 mL de formaldehído y al segundo tubo 1mL de acetona, agite y lleve ambos tubos al baño maría por 5 minutos. Observe los resultados. 71

Laboratorio de Química II Reacción con el Reactivo de Tollens: En dos tubos de ensayo coloque 20 gotas de reactivo Tollens y agregue en el primero 1 mL de acetona y en el segundo 1 mL de formaldehído. Caliente en baño maría no más de 30 segundos (PELIGRO DE EXPLOSIÓN) y observe los cambios. Oxidación con KMnO4 Coloque en un tubo de ensayo 10 gotas de acetona y en otro tubo 10 gotas de formaldehído, acidule con 1 gota de ácido sulfúrico 1:10 y agregue a cada uno 2 gotas de permanganato de potasio al 2%. Observe lo que sucede en cada caso. RECONOCIMIENTO DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Determinación de la Acidez de los Ácidos Carboxílicos: En un tubo de prueba coloque 1 gota o miligramos de ácido, luego adicione 1 mL de agua. Agite para disolver (caliente en baño

maría, si fuera necesario), luego lea el pH con papel indicador. Reacción con Bases Fuertes: En un tubo de ensayo coloque unos cristales de ácido (oleico, esteárico), luego adicione 2 mL de solución de NaOH 20%, agite la mezcla y observe si hay formación de jabón, sino sucediera, lleve el tubo de ensayo a baño maría por 2 minutos. Solubilidad en NaHCO3: En un tubo de ensayo coloque 1 mL de NaHCO3 al 5% y luego agregue 2 gotas o unos cristales de ácido carboxílico y observe si hay desprendimiento de gas (efervescencia) que indica la presencia del ácido. 72


TABLA DE RESULTADOS

FUNCIÓN CARBONILO Tipo de Ensayo Reacción Química Evidencia de Reacción Con 2,4 - DNFH Reactivo de Schiff Reactivo de Fehling Reactivo de Tollens Oxidación con KMnO4

FUNCIÓN CARBOXILO Tipo de Ensayo Reacción Química Evidencia de Reacción Acidez Con Bases Fuertes (NaOH) Solubilidad en NaHCO3 5. CUESTIONARIO

1. ¿Cuántos mol-g de ácido acético son necesarios para cada 1,58 g de sal formada al reaccionar con hidróxido de calcio? Plantear la respectiva ecuación química. 2. Esquematice la estructura del reactivo de Shiff y proponga la reacción de éste con el butanal y con la 2-butanona. 3. Escriba el nombre y la fórmula de los primeros 10 ácidos grasos. 73

Laboratorio de Química II 4. Se tiene los siguientes esquemas

(a) C4H10O Rxn Beckman Rxn (+) KMnO4 C4H8O + H2O 2,4 DNFH Rxn Felling

Rxn (+) Rxn (-) (b) C4H8O Rxn Shiff Rxn(+) KMnO4 C4H8O2 KMnO4 Rxn (-) + R – OH Ester Halle el nombre y la estructura de los compuestos involucrados en ambas reacciones.

74

Laboratorio de Química II PRÁCTICA N° 08 CARBOHIDRATOS 1.

OBJETIVOS

Estudiar algunas propiedades de azúcares y almidones. 2.

FUNDAMENTO TEÓRICO Se denominan carbohidratos a los miembros de una familia de compuestos orgánicos que se caracterizan principalmente por tener varios grupos orgánicos oxhidrilos, y por lo menos potencialmente, un grupo funcional aldehido o cetónico. Estructuralmente se diferencian: a) Los monosacáridos, como la glucosa que no sufre ruptura de sus moléculas mediante hidrólisis ácida; b) los disacáridos, como la sacarosa o azúcar común, que por hidrólisis ácida proporciona dos monosacáridos, y c)los polisacáridos, como la celulosa o el almidón, que por hidrólisis proporciona gran número de monosacáridos. Químicamente se diferencian principalmente dos tipos de carbohidratos: los reductores y los no reductores, según su comportamiento con algunos reactivos característicos.

Los carbohidratos se forman en el reino vegetal como resultado de la fotosíntesis. En el aspecto nutricional representan una gran fuente de calorías como los dulces, el almidón de la papa y del frijol, etc., y en el aspecto industrial tienen usos variados como los de la madera en la industria de la construcción, el algodón en la industria textil, el almidón y las pectinas en la industria alimentaria, etc. 75


PARTE EXPERIMENTAL

a) Materiales: - tubos de ensayo de 13x100 mm - 2 vasos de precipitado de 100 mL - 2 cápsulas de porcelana de 15 mL - Espátula - Varilla de vidrio - Soporte con anillo - Tela de asbesto - Mechero de Bunsen - Agitador de vidrio - Frasco gotero de color ámbar de 100 mL - Gotero

- Probeta de 25 mL b) Sustancias: - Glucosa (C6H12O12) - Almidón - Miel de abeja - Azúcar común - Reactivo de Benedict - Ácido clorhídrico concentrado - Solución saturada de carbonato de sodio - Solución de yodo (lugol) c) Procedimiento: Monosacáridos - Solubilidad en agua. Con una espátula coloque una pequeña cantidad de glucosa en un tubo de ensayo pequeño que contenga 1 mL de agua destilada, y agite. Anote sus observaciones. - Prueba de Benedict. En un tubo de ensayo pequeño ponga 2 ó 3 gotas de la solución anterior y 1 mL del reactivo de Benedict. Caliente el tubo con el mechero de Bunsen. Disacáridos - Disuelva una gota de miel de abeja en un tubo de ensayo pequeño que contenga 1 mL de agua destilada. Añada 1 ó 2 gotas de ésta solución a 1 mL del reactivo de Benedict, y caliente. Anote sus observaciones. 76

Laboratorio de Química II - Con una espátula agregue una pequeña cantidad de azúcar común en un tubo de ensayo que contenga 1 mL de agua, agite para que se disuelva y efectúe la prueba de Benedict como en los casos anteriores. Escriba sus observaciones. - Prepare una solución de azúcar común como en el paso anterior, y agregue 2 gotas de ácido clorhídrico concentrado; caliente en baño maría durante 10 minutos y neutralice con una solución saturada de carbonato de sodio. Use papel indicador, agregue 1 mL del reactivo de Benedict y caliente de nuevo. Anote sus observacioens y compárelos con los del paso anterior. Almidón. ¾ Solubilidad - En un vaso de precipitados de 100 mL ponga 25 mL de agua destilada y caliente hasta ebullición. - Con una varilla de vidrio mezcle en un tubo de ensayo pequeño aproximadamente 0,25 g de almidón, con unas cuantas gotas de agua fria hasta formar una pasta. - Vierta la pasta al agua hirviendo, agitando con la varilla de vidrio. Anote sus observaciones. ¾ Prueba para el almidón. - En un tubo de ensayo añada unas cuantas gotas de la mezcla de almidón y agua, y añádele unas gotas de solución de yodo. Anote sus observaciones. - En un tubo de ensayo añada unas cuantas gotas de la mezcla de almidón y agua, efectúe la prueba de Benedict. Anote sus observaciones. ¾ Transformación de almidón en dextrina - Con una espátula coloque una pequeña cantidad de almidón en una cápsula de porcelana. Caliente lentamente mientras agita con una varilla de vidrio.

El calentamiento debe ser lento y leve para no quemar el almidón. Cuando el almidón adquiera un ligero color café, continué calentando solamente durante 1 ó 2 minutos mas, y enfríe. - Con una espátula pase una pequeña cantidad del residuo a un tubo de ensayo pequeño, y añada 2 mL 77

Laboratorio de Química II de agua destilada. Después agregue 2 ó 3 gotas de solución de yodo. Anote sus observaciones. 4.

TABLA DE RESULTADOS

IDENTIFICACION DE CARBOHIDRATOS Reacciones Químicas Observaciones 5.

CUESTIONARIO

1. Dar la estructura de 2 monosacáridos, dos disacáridos y dos polisacáridos. 2. Escriba mediante ecuaciones químicas la obtención del azúcar comestible.

78

Laboratorio de Química II PRÁCTICA Nº 9 ÉSTERES: SÍNTESIS DE LA ASPIRINA 1.

OBJETIVOS

a) Obtener aspirina mediante una reacción química de esterificación. b) Reconocer la presencia de un éster mediante algunas pruebas de identificación. 2.

PRINCIPIOS TEÓRICOS La aspirina es uno de los medicamentos más versátiles y fascinantes que existen en la medicina, y su uso es muy antiguo. El salicigen, un extracto aislado de la corteza de un vegetal (Salix) que contiene derivados de la aspirina, ha sido usado como analgésico por siglos. A mediados del siglo pasado se descubrió que el salicigen es un glicósido formado de una molécula de ácido salicílico y una de azúcar. El ácido salicílico es fácilmente sintetizado a gran escala calentando el fenóxido de sodio con CO2 a 150oC bajo presión moderada (Síntesis de Kolbe).

Desafortunadamente, el ácido salicílico ataca las membranas mucosas y causa dolores gástricos. Sin embargo, al acetilar la molécula el problema se disminuye sin afectar demasiado las cualidades analgésicas. En 1893 la compañía Bayer obtiene la patente del ácido acetil-salicílico, habiéndolo sintetizado unos 40 años antes Charles Gerhardt. La aspirina es un analgésico, un antipirético (reduce la fiebre) y un agente antiinflamatorio. Últimamente se le han atribuido muchos más efectos benéficos para la salud. Muchos de estos se deben a su grupo acetilo, contiguo al ácido carboxílico aromático. En este experimento, se sintetizará la aspirina, por medio de una reacción de esterificación del ácido salicílico con anhídrido acético y un catalizador que puede ser ácido o básico. 79

Laboratorio de Química II Reacción para el ácido acetilsalicílico 3.


a) Materiales - Tubos de ensayo

- Pipeta - Termómetro - pinzas para tubo - vaso de precipitado - matraz Erlenmeyer - baño para hielo - soporte universal - anillo mediano - mechero Bunsen - matraz Kitassato - embudo Büchner de filtración b) Reactivos - ácido salicílico - anhídrido acético - acetato de sodio anhidro - Piridina - ácido sulfúrico - Hielo 80

Laboratorio de Química II c) Reactivos

Síntesis de la aspirina: Distribuya por partes iguales 3g de ácido salicílico en tres tubos. Añada a cada tubo 2ml de anhídrido acético. Al primer tubo añádale 0.2g de acetato de sodio anhidro. Anote la hora, agite con un termómetro, y registre el tiempo transcurrido hasta que la temperatura aumente 4oC y aproximadamente la cantidad de sólido que se ha disuelto. Limpie el termómetro, colóquelo dentro del segundo tubo, añada 5 gotas de piridina, agite, observe que tiempo transcurre hasta que aumente 4oC la temperatura y anote también qué cantidad del sólido se disolvió. Añada 5 gotas de H2SO4 al tercer tubo, agite y anote las mismas observaciones anteriores. Tabule los resultados de acuerdo con su actividad. 81

Laboratorio de Química II Caliente los 3 tubos en baño maría durante 5 minutos o hasta que se disuelva todo el sólido y se complete la reacción. Después vierta las 3 soluciones dentro de un Erlenmeyer de 125ml con agua helada y lave los tubos con agua. Agite para acelerar la hidrólisis del anhídrido en exceso. Deje enfriar en hielo unos minutos. Recoja el sólido cristalino, lávelo con agua y séquelo. Determine el punto de fusión y el rendimiento. Pruebas de identificación: Prueba de ácido hidroxámico para ésteres: Agregue a 30mg del compuesto 0.5ml de clorhidrato de hidroxilamina 1N en metanol. Después añada, gota a gota, una solución de KOH/CH3OH 2N, hasta que la mezcla esté alcalina. Caliente la mezcla hasta ebullición, enfríe y añada HCl 2N hasta pH=3. Agregue 3 gotas de FeCl3 10% y si aparece una coloración púrpura-morada es positiva. Notas y recomendaciones experimentales: • Cuando se utiliza el acetato de sodio como catalizador existe la posibilidad de que la temperatura baje en vez de subir. Esta bajada suele ser de unos 3°C a 4°C. En tal caso, el tiempo se empezará a tomar desde la temperatura más baja alcanzada, hasta que aumente en

4°C. La temperatura sube en apenas segundos con el H2SO4, por lo que se debe estar al pendiente. • Al verter las 3 soluciones en el agua helada, puede suceder que la aspirina se separe en forma aceitosa y no sólida. En tal caso hay que dejar enfriar en baño de hielo y raspar las paredes del recipiente para inducir la cristalización. • El anhídrido acético es muy irritante y lacrimógeno; se debe medir en la campana. • La piridina tiene muy mal olor y es tóxica; se recomienda usarla en la campana. • Recuerde que el H2SO4 es corrosivo; manéjelo con cuidado. 82

Laboratorio de Química II 4. TABLA DE RESULTADOS Escriba y balancee todas las reacciones químicas que se desarrollan en la primera y segunda parte del experimento. Reacciones Químicas de Síntesis e Identificación de la aspirina Mediante cálculos complete la siguiente tabla: Resultados Finales Rendimiento de la reacción Índice de pureza del producto 5.

CUESTIONARIO

1.- Describa 2 factores que nos ayuden a conocer el curso de la reacción para la síntesis

de la aspirina. 2.- Al realizar la síntesis de aspirina utilizando la piridina como catalizador, ¿cuáles son las sustancias que constituyen la mezcla de reacción después de verter en agua? 3.- ¿Qué pasaría si se dejara la mezcla de reacción en el agua por unos 2 ó 3 días? ¿Por qué? 4.- ¿Cuál fue el catalizador que dio resultados óptimos y por qué? 5.- Describa brevemente un método para la obtención de otro éster y mencione sus aplicaciones en el rubro industrial. 83


Laboratorio de Química II PRÁCTICA Nº 10 PREPARACIÓN DE UN JABÓN POR SAPONIFICACIÓN DE UN ACEITE VEGETAL 1.

OBJETIVOS

a) Obtener un jabón a partir de un aceite vegetal común ó de cualquier grasa adecuada. b) Observar su comportamiento y justificar cada uno de los pasos del procedimiento experimental. 2.

PRINCIPIOS TEÓRICOS La saponificación es la hidrólisis básica de los ésteres y evita el equilibrio de la esterificación de Fischer, catalizada por ácido. El ion hidroxilo de una base metálica realiza un ataque nucleofílico sobre el carbono carbonílico del grupo carboxilato. Como consecuencia, los átomos de carbono y oxígeno de configuración sp2 se transforman en un intermediario tetraédrico sp3. Luego de la formación de un ácido y un ion alcóxido, el ácido transfiere rápidamente un protón al alcóxido para formar el alcohol. En la práctica, el jabón se fabrica por hidrólisis básica, con hidróxido de sodio o potasio y grasas animales o aceites vegetales, que son ésteres de ácidos carboxílicos de cadena larga con glicerol. Esta reacción fue descubierta hace más de 2500 años cuando se encontró que se obtenía cuajo cuando la grasa animal se calentaba con las cenizas de la madera. A través del siglo XIX la manufactura del jabón fue mejor entendida con el descubrimiento de diferentes ácidos grasos los cuales dieron el fundamento de los procesos modernos que relacionan la saponificación de grasa neutras o ácidos grasos con un material cáustico apropiado. 85

Laboratorio de Química II La sosa cáustica (NaOH) produciría un jabón de sodio de los mas fuertes en cambio con KOH se obtendría uno de los jabones mas suaves además que la selección de aceites o grasa en especifico nos pueden dar un jabón líquido. Las técnicas han ido mejorando: hoy en día materias primas más comunes son los aceites vegetales, las grasas animales y la sosa. Variando la estructura de los ingredientes y las técnicas de fabricación, se obtiene las diferentes calidades de jabones disponibles en el mercado. El método industrial natural es una aplicación, en otra escala, del mismo proceso que se va a realizar en esta práctica con la diferencia que en la industria el producto crudo obtenido se

mejora con la adición de perfumes, suavizadores, colorantes, germicidas, etc. El jabón es un material muy versátil el cual es capaz de aceptar un alto rango de aditivos sólidos y líquidos. La única limitación real es que los aditivos pueden degradar el producto químicamente lo cual puede causar daño físico al equipo que interviene en el proceso, lesiones en el trabajador o al usuario final. El jabón es relativamente básico, el grado de perfume requiere asegurar que la formulación final tenga una excelente estabilidad con respecto a la vida de la barra, de igual forma la elección del pigmento o colorante debe hacerse con gran cuidado para asegurar su estabilidad. El producto final debe realizar dos funciones: debe desprender la suciedad de la superficie a limpiar y debe dispersar o disolver la suciedad en el líquido de lavado, de tal modo que el sustrato limpio pueda separarse del líquido de lavado sin que la suciedad se deposite sobre él. La clave de ambos requisitos radica en la naturaleza de las interfases entre el sustrato, la suciedad y el líquido de lavado. Un sistema detergente completamente formulado funciona modificando las propiedades de estas interfases, cambiando así la energía de las interacciones entre la suciedad y el sustrato. Por lo general, la sal de un ácido carboxílico es más soluble en agua que el propio ácido. Cuando la parte hidrocarbonada del ácido es muy grande en comparación con el grupo carboxilato, la parte iónica de la molécula 86

Laboratorio de Química II interacciona favorablemente con el agua y tiende a disolverse, pero el resto de la cadena no. Las cadenas hidrocarbonadas de moléculas vecinas se atraen mutuamente por fuerzas de Van der Waals más de lo que lo están por las moléculas polares del agua. De hecho son hidrofóbicas, o repelentes de agua, en su comportamiento. La sal de un ácido de cadena larga, pues, tiene dos regiones: una cabeza hidrofílica, el grupo carboxilato soluble en agua, y una cola hidrofóbica, la parte de cadena hidrocarbonada que es repelida por las moléculas del agua y atraída en cambio por las cadenas hidrocarbonadas de las moléculas vecinas. La estructura de estos compuestos provoca una orientación particular de sus moléculas en la superficie del agua: las cabezas están en el agua y las cadenas hidrocarbonadas sobresalen hacia el aire. La concentración de moléculas en la superficie del agua provoca que su tensión superficial disminuya. Los compuestos que presentan este comportamiento se llaman compuestos tensoactivos o surfactantes o surfactivos. Los jabones son un tipo de compuestos tensoactivos. Todos los buenos surfactantes tienen estructuras con una cabeza hidrofílica y una cola hidrofóbica. Loa ácidos con doce o más átomos de carbono en la cadena hidrocarbonada de la molécula presentan un comportamiento tensoactivo. Cuando se alcanza una concentración crítica de surfactante, la capa superficial se rompe

en unidades más pequeñas, en agrupaciones de iones llamadas micelas. Las micelas son partículas en las que la parte hidrofóbica de la molécula, repelida por el agua, se sitúa en el interior mientras que las cabezas hidrofílicas, cargadas negativamente, se colocan en el exterior de la micela e interaccionan con las moléculas de agua y los iones positivos del medio. La apariencia opalescente de una disolución de jabón, que es coloidal, es una evidencia de que las partículas presentes son mayores que unas simples moléculas individuales. Las partículas en una solución coloidal son suficientemente grandes para que la luz se disperse en vez de transmitirse, como en el caso de las verdaderas soluciones cuyo aspecto es perfectamente transparente. La grasa se parece en su composición química a las cadenas hidrocarbonadas de la micela. Si se frota una mancha de grasa con una solución jabonosa, se provoca que la grasa se rompa en 87

Laboratorio de Química II partículas suficientemente pequeñas para ser englobadas dentro de las micelas. Las partículas pasan a la solución gracias a la porción hidrocarbonada del jabón, que se mantiene en suspensión por la interacción de la superficie iónica de las micelas con el agua que las rodea. Se dice entonces que la grasa se ha emulsionado, o sea que está suspendida en un medio en el que normalmente no es soluble. Así pues, los jabones suelen ser sales de ácidos carboxílicos de cadena larga. Los jabones ordinarios presentan desventajas en las aguas que se denominan "duras". Las aguas duras contienen iones calcio y magnesio disueltos, de forma que cuando se usa jabón en dichas aguas, las sales cálcicas y magnésicas de los ácidos carboxílicos del jabón precipitan. Este precipitado es la espuma que puede verse a veces en la superficie del agua y que causa un anillo de precipitado alrededor de la bañera. Como es lógico, se han desarrollado varios surfactantes cuyas sales cálcicas y magnésicas son más solubles. Uno de éstos, obtenido a partir de aceites vegetales, es el dodecilsulfato de sodio, la sal sódica del éster del 1-dodecanol con ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico y no un ácido carboxílico proporciona en este caso, la parte iónica de la molécula. 3.


a) Materiales: -

Vasos de precipitados de 250 ml - Charola metálica (para baño maría) - Mechero de bunsen - Soporte con anillo - Tela de asbesto - Varilla de vidrio - Probeta graduada de 25 ml - 5 tubos de ensayo de 13x100mm - Vaso de precipitados de 50 ml - Embudo de vidrio de 75 mm de diámetro - Papel filtro de 12.5 cm - Papel indicador - Gotero 88

Laboratorio de Química II b) Reactivos - Aceite de algodón o de oliva - Solución de soda al 30% en etanol (NaOH en C2H5OH) - Solución saturada de cloruro de sodio (NaCl) - Solución al 10% del cloruro de calcio (CaCl2) en agua - Solución de ácido clorhídrico al 20% (HCl)

c) Procedimiento: Preparación del Jabón: En un vaso de precipitados de 250 mL pese aproximadamente 5 g de aceite de algodón (o alguna otra sustancia grasa adecuada). Caliente en baño maría y agregue poco a poco 20 ml de una solución etanólica de hidróxido de sodio al 30%, agite constantemente con una varilla de vidrio. Cuando se haya terminado la adición, continúe calentando con agitación. Para saber si la reacción ha terminado se saca una pequeña parte de la mezcla reaccionante con la varilla de vidrio, se introduce en un tubo de ensayo pequeño y se le agrega 5 mL de agua. Si la mezcla se disuelve completamente después de agitar, ha terminado la reacción, si no, continúe el calentamiento y la agitación. Cuando se comprueba que se ha terminado la reacción, agréguele a la mezcla 30 mL de una solución saturada de cloruro de sodio en agua, y siga calentando sobre la tela de asbesto durante cinco minutos, sin dejar de agitar. En un embudo de vidrio, coloque un papel filtro grande y aplíquelo contra las paredes con agua destilada. Coloque el embudo en el anillo y disponga un vaso de precipitados de 250 mL para recoger el filtrado, luego deje decantar la solución saturada de cloruro de sodio y filtre todo el contenido del vaso en el embudo. Lave con agua fría el jabón filtrado en el mismo embudo, usando pequeñas cantidades de agua; repita la operación varias veces. 89

Laboratorio de Química II Con 3 tubos de ensayo A, B y C ponga pequeñas fracciones del producto para hacer pruebas. Recolecte el jabón restante del papel filtro, y comprímalo con las manos para hacer una pequeña bola.

Pruebas Características del Jabón: • Al tubo de ensayo A agréguele 5 mL de agua, tápelo con el dedo pulgar y agítelo fuertemente. Anote sus observaciones. • Al tubo B agréguele 5 mL de una solución al 10% de cloruro de calcio en agua. Tápelo con el dedo pulgar y agítelo. Compare sus observaciones con las del paso anterior. • Al tubo C agréguele 5 mL de agua destilada y gota a gota una solución al 20% del ácido clorhídrico hasta obtener un medio ácido; compruébelo con el papel indicador, aplicando una gota de la solución sobre dicho papel con una varilla de vidrio limpia. Anote sus observaciones. 4.

TABLA DE RESULTADOS

FORMACIÓN DE UN JABÓN Reacción Química Observaciones PRUEBAS CARACTERÍSTICAS DE UN JABÓN Tubo de Reacción Química Observaciones Ensayo A B

C 90


CUESTIONARIO

1. ¿Qué cambios ocurren en una grasa durante el proceso de saponificación? Fundamente su respuesta. 2. ¿Cómo se estiman los índices de saponificación y qué características son deseables en un jabón? 3. Proponga la composición química de la grasa o aceite que escogió para el experimento y represente la reacción que se llevó a cabo en la saponificación de dicha grasa. 4. Explique la diferencia en la solubilidad en agua del jabón y del ácido graso utilizado en el experimento. 5. ¿Qué se obtiene como subproducto del jabón y qué aplicaciones a nivel industrial tiene? 91


92

Laboratorio de Química II PRÁCTICA N° 11 FORMACIÓN DE UN POLÍMERO ENTRECRUZADO 1.

OBJETIVOS

a) Llevar a cabo algunas reacciones químicas para sintetizar polímeros y plásticos. b) Identificar los productos y reactivos implicados en las reacciones realizadas. 2.

PRINCIPIOS TEÓRICOS Polímeros: En química, los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, ésta se clasifica como polimerización por pasos o como polimerización en cadena. En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependerá de parámetros como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada cadena un tamaño distinto y, por tanto, un peso molecular distinto, por lo que se habla de peso promedio para el polímero. La polimerización en etapas (condensación) necesita monómeros bifuncionales. Los polímeros constituyen la base de una gran parte de los materiales de nuestro entorno cotidiano. Debemos distinguir los conceptos de macromolécula, polímero y plástico que no son sinónimos ya que macrocomolécula es un concepto químico que se aplica a cualquier molécula muy grande, el polímero es una macromolécula formada por la repetición de muchos iguales y los plásticos son productos industriales cuya propiedad característica 93

Laboratorio de Química II es precisamente la plasticidad y que, si bien es cierto que su base química es el polímero, contiene además todo un conjunto de aditivos, como cargas, colorantes, plastificantes etc. Los plásticos están presentes en numerosas actividades cotidianas y han adquirido una importancia tan grande debido a sus numerosas aplicaciones que han desplazado de sus usos a materiales tradicionales como la madera, el vidrio, los metales, etc. El alcohol vinílico, H2C=CHOH, se polimeriza originando el alcohol polivinílico PVA, de estructura: -CH2-CHOH-CH2- CHOH-CH2-CHOH- que con el borato de sodio forma un polímero entrecruzado. Los polímeros son moléculas muy corrientes: PVC, polietileno, poliestireno, nylon, etc., y en general todas las materias plásticas. Pero el PVA tiene una característica muy interesante y poco corriente en los materiales plásticos que es la de ser soluble en agua. El tetraborato de sodio NaB (OH)4 se disuelve en agua dando un ión Na+ y un ión tetraborato B (OH) - 4 . Los iones tetraborato enlazan las largas cadenas de PVA mediante enlaces de hidrógeno aprisionando moléculas de agua. Estas tienen tendencia a escapar por simple evaporación, por lo que si queremos conservar el slime no debemos dejarlo demasiado tiempo al aire libre. 3.


a) Materiales - Balanza - Espátulas - Pipetas graduadas - Vasos de precipitados -

Varilla de vidrio - Bolsas de polietileno de baja densidad con cierre hermético. - Luna de Reloj - Tubos de ensayo grandes 94

Laboratorio de Química II b) Reactivos - Alcohol polivinílico (PVA) - Tetraborato de sodio (Bórax) o Perborato de Sodio - Agua - Colorantes: azul de metileno, tartracina, etc. -

Bicarbonato de sodio - Acido Acético c) Procedimiento - Prepare una disolución de alcohol polivinílico (PVA) al 4% y observe sus propiedades. Pon 10 ml en un vasito de precipitados. - Añade una o dos gotas de colorante a la disolución del PVA. - Prepare una disolución de tetraborato de sodio al 4% y observe sus propiedades. Añade 2,5 ml de ésta a la disolución de PVA y remueve con la varilla hasta que no se produzca ningún cambio. - Saque el polímero del recipiente y déjelo encima de la mesa sobre una lámina de plástico o sobre papel de filtro. Observe las propiedades del producto que ha obtenido - Sumerja una muestra del polímero en un tubo de ensayo que contenga ácido acético. Observar. - En otro tubo de ensayo coloque parte de la disolución del primer tubo y agréguele una solución de bicarbonato de sodio. Observar lo que ocurre. - Introduzca el polímero sobrante en la bolsa de plástico y ciérrala. 95

Laboratorio de Química II Sugerencias: - La disolución del alcohol polivinílico debe hacerse con cuidado porque si añadimos el alcohol al agua se forman grumos muy difíciles de disolver. Es conveniente utilizar un agitador magnético con calefacción sin que se llegue a superar los 80-90 ºC (no debe hervir el agua) y añadir el alcohol de poco en poco hasta que este se disuelva. Este proceso lleva un tiempo que puede llegar hasta una media hora. Una vez preparada dejamos enfriar. - Una vez formada la disolución separamos las masas gelatinosas que se hayan podido formar y que no se han solubilizado para evitar atascar las pipetas. - Una vez que hemos terminado de investigar las propiedades del slime y aunque el polímero resultante no es tóxico, debemos lavarnos bien las manos como siempre que manipulemos productos químicos, y tener mucho cuidado de donde lo dejamos para evitar el riesgo de ingestión por niños pequeños. - Podemos conservar el slime dentro de una bolsa de polietileno de baja densidad con cierre hermético. 4.

TABLA DE RESULTADOS

Polimerización Entrecruzada Reacción Química Observaciones Ensayo con Ácido Acético

Reacción Química Observaciones Ensayo con Bicarbonato de Sodio Reacción Química Observaciones 96


1. Hallar la estructura y la forma simple de los siguientes polímeros: a) Nylon 6,6 b) Melamine c) Poliacrilonitrilo d) Poli estireno 2. ¿Cómo se obtiene industrialmente la goma escolar? Escriba las ecuaciones químicas involucradas en su preparación. 3. Defina y mencione 2 ejemplos de: Elastómero, Copolímero, Termoplástico y Polímero de condensación. 4. ¿Cuál es la función química del Bórax en el proceso de laboratorio que realizó? 5. ¿Qué es un hidrogel? Mencione sus aplicaciones en la industria. 97


Laboratorio de Química II PRÁCTICA Nº 12 AISLAMIENTO DEL EUGENOL A PARTIR DEL CLAVO DE OLOR 1.

OBJETIVOS

a) Extraer el Eugenol a partir del clavo de especia, mediante una destilación por arrastre de vapor. b) Purificar el Eugenol por particiones sucesivas con solventes y álcalis. 2.

PRINCIPIOS TEÓRICOS Los Aceites Esenciales son compuestos naturales, líquidos, volátiles y de agradable aroma extraídos de las plantas mediante procesos de destilación. Son sustancias muy ligeras y de textura muy fina, se fabrican a partir de una amplia variedad de flora, que va desde las plantas más modestas hasta las exóticas orquídeas, rosas y brotes de algunas frutas, como la palta y el plátano. También se extraen aceites esenciales de las hojas, las raíces y la corteza de árboles. Las sustancias responsables del olor suelen poseer en su estructura química grupos funcionales característicos: aldehídos, cetonas, ésteres, etc. Desde el punto de vista químico y a pesar de su composición compleja con diferentes

tipos de sustancias, los aceites esenciales se pueden clasificar de acuerdo con el tipo de sustancias que son los componentes mayoritarios. Según esto los aceites esenciales ricos en monoterpenos se denominan aceites esenciales monoterpenoides (ej. hierbabuena, albahaca, salvia, etc.). Los ricos en sesquiterpenos son los aceites esenciales sesquiterpenoides (ej. copaiba, pino, junípero, etc.). Los ricos en fenilpropano son los aceites esenciales fenilpropanoides (ej. clavo, canela, anís, etc.). Los aceites esenciales son muy inestables: volátiles, frágiles, y alterables con la luz. Para obtenerlos de la fuente natural se utilizan principalmente dos métodos: 99

Laboratorio de Química II • Destilación en corriente de vapor (o por arrastre de vapor). • Extracción Son muy concentrados, por lo que sólo se necesitan pequeñas cantidades para lograr el efecto deseado (del orden de los miligramos). También se pueden sintetizar en forma artificial, que es la manera más habitual de obtenerlos, debido a que la gran demanda de estos productos no llega a ser abastecida por las fuentes naturales. En este caso, el aceite esencial del clavo es una mezcla sencilla en comparación con otras, siendo el eugenol su componente principal. Estas sustancias suelen ser inmiscibles con el agua. El eugenol se emplea en perfumería y también como analgésico dental. Para una mayor compresión del fundamento teórico y en virtud de la claridad de esta práctica, lo estructuraremos en varias partes, explicándose las restantes en el procedimiento operatorio. Destilación por arrastre de vapor Esta técnica de destilación es usada para destilar compuestos de punto de ebullición altos que se descomponen en o cerca de sus puntos de ebullición. Estos compuestos pueden destilarse con vapor de agua a una temperatura lo suficientemente baja para evitar su descomposición, este hecho constituye una ventaja sobre otros métodos de destilación. Dado que la corriente de vapor de agua es un proceso eficaz y barato (sólo se requiere agua y calor), se usa con frecuencia para

aislar y purificar aceites naturales a partir de sus fuentes biológicas. Cuando se destilan con vapor pequeñas cantidades de material, resulta eficaz suspender la materia prima de los aceites en agua en matraz de destilación. Cuando se calienta esta mezcla, el vapor que se genera en el interior inicia el proceso de arrastre. La consecuencia de esta técnica para la química orgánica práctica es que un componente de punto de ebullición elevado, con una presión de vapor relativamente pequeña, puede obtenerse por destilación con un líquido inmiscible. Así, como los aceites esenciales tienen un punto de ebullición alto pueden aislarse y 100

Laboratorio de Química II purificarse combinándolos en un proceso de destilación con algún líquido inmiscible de punto de ebullición inferior. En nuestro caso, el aceite que queremos destilar tiene un punto de ebullición cercano a 253.5°C. En realidad, 253.5°C es la temperatura de ebullición del eugenol, pero ya que este va acompañado de otras sustancias minoritarias formando parte del aceite esencial, el punto de ebullición de esta mezcla, diferirá de esta temperatura. El líquido inmiscible que usamos es el agua, que como todos sabemos alcanza la ebullición a los 100°C a presión atmosférica. El agua tiene varias características que favorecen su elección: se dispone de ella, es barata y de peso molecular bajo. Debido a su bajo peso molecular pueden destilarse gran número de moles de agua sin que representen un gran volumen. Gracias a este procedimiento se comienza a destilar a una temperatura de 98°C, ya que la temperatura de ebullición de una mezcla de dos líquidos inmiscibles es inferior a la temperatura de ebullición de cualquiera de ellos por separado. Como podemos observar esta temperatura es cercana a la temperatura del disolvente, ya que el vapor que ser genera al comenzar el arrastre es más rico en el componente más volátil, es decir, en agua. Cuando en contacto con la atmósfera coexisten dos disoluciones, ambas contribuyen a la presión de vapor parcial sobre la superficie de los dos líquidos. Al aumentar la temperatura, la presión de vapor sobre la superficie del líquido aumentará. Debemos recordar que en cualquier proceso de ebullición, lo que cuenta es que la presión de vapor de la disolución alcance la presión atmosférica que se ejerce sobre ella, y sólo en este punto se inicia la ebullición y por consiguiente la destilación. La condensación de la fase vapor dará una mezcla de dos fases con componentes acuoso y orgánico (aceite esencial). Al ser los dos líquidos inmiscibles, sus moléculas no interaccionan entre sí y se vaporizan y condensan de forma independiente. En el equilibrio, cada componente se comporta como una sustancia pura. En consecuencia, la presión parcial de equilibrio será igual a la presión de vapor de cada componente. º P

= P aceite aceite º P = P aagua agua 101

Laboratorio de Química II En la mezcla aceite esencial−agua, cada uno ejerce su propia presión de vapor característica independientemente del otro. El punto de ebullición de la mezcla será aquella temperatura a la que se alcance la presión de vapor de 760 mm de Hg (presión atmosférica). Ahora bien, por la ley de Dalton, la relación de las presiones de vapor de dos líquidos es directamente proporcional a las concentraciones molares de ambas sustancias en la fase gaseosa. Se puede decir que en la destilación de una mezcla de dos líquidos no miscibles, las cantidades relativas en peso de los dos líquidos que se recogen en el colector son directamente proporcionales a las presiones de vapor de los líquidos a la temperatura de destilación correspondiente a sus pesos moleculares. Estos hechos constituyen la base de la purificación y separación de las sustancias por arrastre de vapor. Extracción La extracción es la técnica más empleada para separar un producto orgánico de una mezcla de reacción o para aislarlo de sus fuentes naturales. Puede definirse como la separación de un componente de una mezcla por medio de un disolvente. En la práctica es muy utilizada para separar compuestos orgánicos de las soluciones o suspensiones acuosas en las que se encuentran. El procedimiento consiste en agitarlas con un

disolvente orgánico, por ejemplo diclorometano, inmiscible con el agua y dejar separar ambas capas. Los distintos solutos presentes se distribuyen entre las fases orgánica y acuosa, de acuerdo con las solubilidades relativas. Ciertos compuestos orgánicos, como los alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos, ésteres, aminas, etc., capaces de asociarse con el agua a través de puentes de hidrógeno, son parcialmente solubles en este disolvente y en los orgánicos; en estos casos pueden ser necesarias varias extracciones. 102

Laboratorio de Química II Disolución saturada de cloruro sódico Un material orgánico es menos soluble en una disolución acuosa concentrada de sal, el agua entra en la capa salina para ayudar a la solvatación de los iones que contiene. Por ejemplo, si se agita diclorometano con agua, una pequeña cantidad de diclorometano entra en la fase acuosa y una pequeña cantidad de fase acuosa entra en la orgánica. Por otra parte, si lavamos la fase orgánica con una disolución saturada de cloruro sódico (salmuera), la demanda de solvatación de la sal retiene casi toda el agua de la fase acuosa. Análogamente, cualquier porción de diclorometano que hubiera entrado en la fase acuosa será rechazada por ella y buscará la fase orgánica. Al extraer la fase acuosa con varias porciones de disolvente orgánico, la fase orgánica contendrá casi siempre pequeñas porciones de agua. Si la fase orgánica se agita con una disolución saturada de NaCl, se eliminará virtualmente toda el agua, que pasará a la fase acuosa y la disolución orgánica contendrá mucha menos agua. Desecante En las reacciones orgánicas, con más frecuencia el agua se considera como un reactivo o un contaminante. Después de la reacción y posterior extracción, casi todas las disoluciones orgánicas contienen pequeñas cantidades de agua. El sulfato sódico anhidro es el más común de los deshidratantes generales. Es económico y de gran capacidad porque forma un heptahidrato (según otras fuentes puede formar un decahidrato). Desecante +

Agua → Hidrato Na2SO4 + 7H2O → Na2SO4.7H2O Otra condición que reúne este desecante es que éste es relativamente inerte, y en general, no reacciona con los materiales orgánicos. Las desventajas del sulfato sódico consisten en que actúa lentamente y por encima de 30°C el heptahidrato se rompe, reduciéndose la capacidad del secado. En nuestro caso fue seleccionado, ya que todo el proceso posterior a la destilación se realizó a temperatura ambiente. 103

Laboratorio de Química II Rotavapor Se trata de un dispositivo conectado a una bomba de vacío en el cual evaporamos un disolvente a presión reducida. Si hacemos vacío, reducimos la temperatura de ebullición del disolvente que impregna un soluto no volátil. De este modo aceleramos la evaporación y evitamos trabajar con temperaturas elevadas. 3.


a) Materiales - Vaso de precipitados x 250 mL - Vaso de precipitados x 600 mL - Probeta x 50 mL

- Soportes universales - Trozos de porcelana porosa - Trípodes - Balanza analítica - Mechero de bunsen - Destilador por arrastre de vapor b) Reactivos - 200 g de clavos enteros - Diclorometano - Solución de hidróxido de potasio al 5 % - Solución de ácido clorhídrico al 5 % - Sulfato de sodio anhidro - Papel indicador de pH c) Procedimiento Monte un aparato para destilación por arrastre de vapor, con producción interna de vapor empleando un matraz esférico de 3 bocas de 500 mL. Coloque la muestra en el matraz y adicione aproximadamente 300 mL de agua y algunos trozos de porcelana porosa y destile la mezcla sobre la llama del mechero, manteniendo el volumen interno próximo a los 250 mL mediante la reposición del agua. 104

Laboratorio de Química II Destile la mezcla por arrastre de vapor, hasta que no aparezcan gotas de aceite en el refrigerante. 50 a 75 minutos, normalmente. Retire la capa inferior (orgánica) y extraiga la acuosa nuevamente con 50 mL de Diclorometano. Reúna las fases orgánicas y deseche la acuosa. Extraiga la capa orgánica con 3 porciones de 20 mL de disolución de hidróxido de potasio al 5 %. Reúna las capas acuosas alcalinas y lávelas una vez con 25 mL de Diclorometano. Pase la disolución acuosa alcalina a un vaso de precipitados de 600 mL, y acidifique lentamente (se desprende calor) hasta pH=1 con ácido clorhídrico al 5 % (utilizar papel indicador). Extraiga la solución ácida con 2 porciones de Diclorometano y luego deseche la capa acuosa. Reúna las capas orgánicas y lávelas sucesivamente con 25 mL de agua destilada y 25 mL de solución semisaturada de cloruro de sodio. Seque la disolución orgánica sobre Sulfato de sodio anhidro. Decante el agente desecante y elimine el Diclorometano en un baño de vapor; el Eugenol se obtiene como un aceite amarillo pálido con un intenso olor a clavo. Pese el aceite y calcule el rendimiento de Eugenol a partir del clavo empleado. 105


TABLA DE RESULTADOS

Peso del Clavo de olor Peso del Eugenol % de Rendimiento 5. CUESTIONARIO

1. ¿Cuáles son las aplicaciones del aceite de eugenol en el ámbito industrial y farmacéutico? 2. ¿Qué otros agentes desecantes existen y cuáles utilizaría en este caso? 3. ¿Qué otra técnica utilizaría para el aislamiento del eugenol a partir del clavo de olor? 4. ¿Cómo identificaría el eugenol una vez purificado? 106

Laboratorio de Química II PRÁCTICA N° 13

EXTRACCIÓN SIMPLE Y EXTRACCIÓN MÚLTIPLE 1. OBJETIVOS

Estudiar algunas propiedades de azúcares y almidones. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO La extracción es la técnica empleada para separar un producto orgánico de una mezcla de reacción o para aislarlo de sus fuentes naturales. Puede definirse como la separación de un componente de una mezcla por medio de un disolvente. En la práctica es muy utilizada para separar compuestos orgánicos de las soluciones o suspensiones acuosas en las que se encuentran. El procedimiento consiste en agitarlas con un disolvente orgánico inmiscible con el agua y dejar separar ambas capas. Los distintos solutos presentes se distribuyen entre las fases acuosa y orgánica, de acuerdo con sus solubilidades relativas. De este modo, las sales inorgánicas, prácticamente insolubles en los disolventes orgánicos más comunes, permanecerán en la fase acuosa, mientras que los compuestos orgánicos que no forman puentes de hidrógeno, insolubles en agua, se encontrarán en la orgánica. Coeficiente de reparto Ciertos compuestos orgánicos, como los alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos, ésteres, aminas, etc., capaces de asociarse con el agua a través de puentes de hidrógeno, son parcialmente solubles en este disolvente y en los orgánicos; en estos casos pueden ser necesarias varias extracciones sucesivas para eliminar la sustancia orgánica de la fase acuosa. Cuando se agita una solución acuosa de una sustancia con un disolvente orgánico en el que la sustancia es al menos algo 107

Laboratorio de Química II soluble, el compuesto se disuelve parcialmente en cada disolvente.

La relación de las concentraciones en ambos (CO y CA) proporcionales a las solubilidades respectivas, SO y SA, cuando se alcanza el estado de equilibrio a una temperatura determinada, se llama coeficiente de distribución o de reparto, KD. En general, para un volumen determinado de líquido extractivo, la eficacia de la extracción aumenta con el número de las mismas. En la práctica, no obstante, deben tenerse en cuenta también el tiempo y el trabajo requeridos por las repetidas extracciones y los inconvenientes que presenta la manipulación de muy pequeñas cantidades de disolvente. Como norma práctica puede indicarse que para solutos mucho más solubles en el disolvente extractivo que en el agua, debe utilizarse en cada extracción un volumen de aquel igual a la tercera parte de ésta. Disolventes orgánicos muy utilizados son el tolueno (C6H5-CH3), el éter de petróleo (mezcla de alcanos de baja magnitud molecular), el cloruro de metileno (CH2Cl2), el cloroformo (CHCl3), el tetracloruro de carbono (CCl4), el acetato de etilo (CH3-COOC2H5) y el alcohol nbutílico (CH3CH2CH2CH2OH). La elección del disolvente se realiza en cada caso teniendo en cuenta la solubilidad en el mismo de la sustancia a extraer y la facilidad con que puede separarse ésta del disolvente. El éter dietílico es el más utilizado por la gran solubilidad en el mismo de la mayor parte de los compuestos orgánicos y por su bajo punto de ebullición (35°). Sin embargo, su gran volatilidad y su fácil inflamabilidad exigen manejarlo con las precauciones debidas. Montaje y Manipulación de Equipos.- El aparato utilizado en las extracciones es el embudo de separación que se muestra en la figura. El tapón y la llave, que deben estar bien ajustados, se lubrican con una grasa adecuada antes de cada uso. 108

Laboratorio de Química II Como indica la Figura, el embudo de decantación debe manejarse con ambas manos; con una se sujeta el tapón -asegurándolo con el dedo índice- y con la otra se manipula la llave.

Se invierte el embudo y se abre la llave para eliminar la presión de su interior; se agita con suavidad durante uno o dos segundos y se abre de nuevo la llave. Cuando deja de aumentar perceptiblemente la presión en el interior, se aseguran tapón y llave y se agita enérgicamente durante uno o dos minutos. Se pone de nuevo en contacto con la atmósfera a través de la llave, se vuelve a cerrar ésta y se apoya, ya en posición normal, en un aro metálico con unos trozos de tubo de goma que lo protegen de roturas. Se destapa y se deja en reposo hasta que sea nítida la separación entre las dos capas de líquido. En la parte inferior debe tenerse siempre un vaso de precipitados de gran tamaño con objeto de poder recoger todo el líquido en caso de que el embudo se rompiese por accidente. Después de separadas ambas fases, se saca el inferior por la llave y la superior por la boca; así se previenen posibles 109

Laboratorio de Química II contaminaciones. El número de extracciones necesarias en cada caso particular depende del coeficiente de reparto y de los volúmenes relativos de agua y de disolvente. La posición relativa de las capas acuosa y orgánica depende de sus densidades. En caso de duda puede determinarse la identidad de cada una de ellas ensayando la solubilidad en agua de unas gotas de la misma. Es una medida prudente, en especial cuando se trata de reacciones nuevas, conservar todos los extractos y líquidos residuales hasta comprobar que se obtiene el producto final con el rendimiento esperado; sólo entonces debe procederse a la limpieza.

Emulsiones.- Con frecuencia, sobre todo cuando se trabaja con soluciones alcalinas, se forman emulsiones durante el proceso de extracción. Estas pueden romperse, de ordinario, mediante: 1) Un movimiento de giro suave al líquido del embudo de separación, mantenido en su posición normal; 2) agitación vigorosa de la capa emulsionada con una varilla de vidrio; 3) saturación de la capa acuosa con sal común; 4) centrifugación. El método 3, de saturación con sal, tiene una doble ventaja: hace disminuir la solubilidad en agua de la mayor parte de los solutos y de los disolventes orgánicos. Su nombre es efecto salino. Extracción con ácidos y álcalis.- Con frecuencia se consiguen separaciones muy netas de compuestos orgánicos, utilizando soluciones ácidas o alcalinas capaces de convertir dichas sustancias en sales, solubles en agua e insolubles en éter. Una solución de hidróxido sódico al 5-10 % convierte, por ejemplo, los ácidos carboxílicos, R-COOH, en sus sales sódicas, R-COO-, Na+. Los compuestos fenólicos experimentan una transformación semejante con el mismo reactivo. Por esta causa puede utilizarse una solución de hidróxido sódico para extraer un ácido carboxílico o un compuesto fenólico de su solución en un disolvente orgánico o, recíprocamente, liberar estos tipos de compuestos de sus impurezas orgánicas por extracción de sus soluciones alcalinas con un disolvente adecuado. Las soluciones acuosas de bicarbonato sódico convierten también los ácidos carboxílicos en sus respectivas sales sódicas, pero no son lo suficientemente básicas para formar sales con los compuestos fenólicos. Esta es la base de un elegante método de 110

Laboratorio de Química II separación de ácidos carboxílicos y fenoles: el ácido se extrae en primer lugar de su solución en un disolvente orgánico con una solución de bicarbonato sódico y, posteriormente, el fenol con solución de sosa.

Los ácidos inorgánicos se eliminan con facilidad de los disolventes orgánicos por extracción con una solución de hidróxido, carbonato o bicarbonato sódicos. El ácido clorhídrico diluido se emplea con frecuencia para la extracción de sustancias básicas de sus mezclas con otras neutras o ácidas, o bien para eliminar impurezas básicas. El ácido diluido convierte la base, p.ej., amoniaco o una amina orgánica (R3N), en el correspondiente hidrocloruro (R3NH+, Cl-), soluble en agua. Por otra parte, las impurezas orgánicas que acompañan a una amina pueden eliminarse por extracción de las mismas con un disolvente orgánico de una solución ácida de aquella. Las sales sódicas de los ácidos carboxílicos y de los fenoles son fácilmente convertibles en los compuestos de partida por tratamiento de ácido sulfúrico o fosfórico. Los hidrocloruros de las aminas se transforman de nuevo en éstas por adición de una solución de hidróxido sódico. 111

Laboratorio de Química II Importancia del Secado.- Pequeñas cantidades de humedad inhiben la cristalización de muchos sólidos. Además, muchos líquidos, cuando destilan en presencia de agua, reaccionan con ésta (se hidrolizan) o destilan con el agua (se arrastran) a temperaturas bastantes distantes de

sus puntos de ebullición. Por estas razones, el paso final, antes de la recristalización de un sólido o de la destilación de un líquido, es la eliminación del agua que lleva consigo mediante algún proceso de secado. En general, como mejor se seca una sustancia orgánica es en solución (generalmente en el disolvente de extracción). El proceso de secado se puede realizar por medios mecánicos o por medios químicos. Los desecantes químicos se utilizan más que los procedimientos de secado mecánicos. Un buen desecante químico debe reunir las siguientes condiciones: 1) No reaccionar con la sustancia a secar; 2) tener una gran eficacia o poder desecante, esto es, eliminar el agua completamente o casi completamente; 3) tener una gran capacidad de desecación, es decir, eliminar una gran cantidad de agua por unidad de peso de desecante; 4) secar rápidamente y 5) ser fácilmente separable de la sustancia una vez seca. 3.


a) Materiales: - Probeta - Embudo de decantación - Soporte universal - Aro y nuez - Tubos de ensayo - Gradilla - Vasos de precipitado - Matraz Kitasato - Embudo Buchner - Papel filtro - Espátula - Luna de reloj

112

Laboratorio de Química II b) Reactivos - Solución violeta cristal - Cloruro de metilo - Ácido Benzoico - P-diclorobenceno - Éter - Hidróxido de sodio - Cloruro de calcio - Ácido clorhídrico - Agua destilada c) Procedimiento Extracción simple. Se toman 15mL de una solución de violeta cristal en agua y se introducen en un embudo de decantación de 250 mL limpio, seco y lubricado, sujeto por un aro, y se agregan 15 mL de cloruro de metileno. Se tapa el embudo, se invierte y se abre la llave del mismo para prevenir cualquier sobrepresión. Se cierra la llave, se agita suavemente durante unos instantes y se vuelve a abrir aquélla. El proceso se repite cuantas veces sean necesarias hasta que al abrir la llave no se aprecie sobrepresión en el interior. Se cierra la llave una vez más, se agita enérgicamente durante un minuto y, por último, se coloca el embudo de nuevo en su soporte; se destapa y se espera hasta que ambas capas se separen (esto puede requerir algunos minutos). Se recoge la fase cloruro de metileno (inferior) en un tubo de ensayo y la superior (acuosa) en un segundo tubo; ambos se tapan y se guardan para su observación posterior. Extracción múltiple. Otros 15 mL de la solución de violeta cristal se extraen con tres

porciones de cloruro de metileno de 5 mL cada una; se recoge cada extracto orgánico en un tubo de ensayo y se recoge la solución acuosa remanente en un cuarto tubo. Se compara la intensidad del color en las soluciones orgánicas y en las dos acuosas, anotándose los resultados. 113

Laboratorio de Química II Extracción con solución de hidróxido sódico.- Se disuelven 0,4 g de ácido benzoico (C6H5-COOH) y 0,4 g de p-diclorobenceno (C6H4Cl2) en 20 mL de éter (asegurándose de que no hay llamas en las proximidades). La solución obtenida se extrae con 10 mL de solución de hidróxido de sodio al 10% recientemente preparada. Se recoge la solución acuosa (inferior) y se pasa la etérea a un pequeño matraz erlenmeyer. Se agregan a la solución etérea tres o cuatro gránulos de cloruro de calcio y se agita la mezcla, de cuando en cuando, hasta que desaparece la turbidez inicial. Se decanta la solución etérea a un vaso de precipitados (preferiblemente en vitrina). Se pesa el residuo y se determina su punto de fusión. El p-diclorobenceno puro funde a 53 °C. El ácido benzoico se aísla de la solución alcalina por tratamiento con ácido clorhídrico. El precipitado obtenido se separa por filtración a vacío y se lava con agua. Posteriormente se seca, se pesa, se determina el punto de fusión y se anotan los resultados. 4.

CUESTIONARIO

1. La solubilidad del yodo en agua es 0,029 g/100 mL y en cloruro de metileno es de 2,91 g/100 mL. Calcular la constante de reparto. 2. Teniendo en cuenta la solubilidad del yodo en agua, calcular los gramos de yodo presentes en los 15 mL de disolución.

3. Calcular la cantidad de yodo extraída en cada una de las tres extracciones consecutivas y el tanto por ciento totales extraídos. 4. Calcular el volumen de cloruro de metileno que se hubiera necesitado para extraer la misma cantidad de yodo en una sola operación. 114


¿Por qué se debe destapar siempre un embudo de separación cuando se está sacando, a través de la llave, el líquido que contiene? 6. ¿Qué desventajas presentaría un disolvente cuya densidad fuese muy semejante a la del agua? 7. ¿Qué efecto ejerce la adición de carbonato de potasio sobre la solubilidad del alcohol tercbutílico en éter y en agua? ¿Qué relación guarda con el coeficiente de reparto de este alcohol determinado experimentalmente?

115


Laboratorio de Química II BIBLIOGRAFÍA 1.

GIBAJA, Segundo: (1977) “Guía para el Análisis de los Compuestos de Carbono”. Editorial de la UNMSM. Lima. 2.

BREWSTER, Ray: (1982) “Curso Práctico de Química Orgánica”. (2a ed., reimp.) Editorial Alhambra. Madrid.

3.

WINGROVE, Alan: (1995) “Química Orgánica”. 5ta Edición. Editorial Harla. México. 4.

MORRISON Y BOYD: (1998) “Química Orgánica”. 5ta Edición. Editorial Addison Wesley. México. 5.

STEWART, Robert: “Química Orgánica”. Editorial Fondo Educativo Interamericano. 6.

CARRASCO, Luis: (2005) “Química Experimental”. Editorial San Marcos. Lima. 7.

FIGUEROA, Nilo: (1992) “Química Orgánica”. (Tomo II). 2da. Edición. Editorial Mantaro. Perú. 117

20101isi303q105t029

Documents