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Manual de laboratorio de qumica orgnica 2006

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UNIVERSIDAD DE CARABOBO Facultad Experimental de Ciencias y Tecnología Departamento de Química Guía de Laboratorio de Química Orgánica Elaborado por: Prof. Douglas J Escalante Ayala Valencia, Noviembre del 2006
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INDICE INDICE PRACTICA # 1: TECNICAS EXPERIMETALES ....................................................................................... 1 PUNTO DE FUSIÓN SIMPLE Y MIXTO ..................................................................................................... 1 ANTECEDENTES .............................................................................................................................................. 1 TEORIA ......................................................................................................................................................... 1 Punto de fusión .......................................................................................................................................... 1 Punto de fusión de compuesto impuros; diagrama de presión de vapor-temperatura .............................. 2 Punto de fusión de mezcla de compuestos ................................................................................................. 3 Punto de fusión de compuestos desconocidos ........................................................................................... 4 Métodos, aparatos y equipos para determinar el punto de fusión ............................................................ 4 CUESTIONARIO ............................................................................................................................................... 4 SOLUBILIDAD EN DISOLVENTES ORGÁNICOS Y CRISTALIZACIÓN SIMPLE ........................... 6 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................... 6 TEORIA ............................................................................................................................................................ 6 Solubilidad ................................................................................................................................................ 6 TEORÍA DE LA CRISTALIZACIÓN ...................................................................................................................... 8 SELECCIÓN DE DISOLVENTE ............................................................................................................................ 9 TÉCNICA DE CRISTALIZACIÓN ....................................................................................................................... 10 CRISTALIZACIÓN........................................................................................................................................... 13 CUESTIONARIO ............................................................................................................................................. 14 PUNTO DE EBULLICIÓN, DESTILACIÓN SIMPLE Y FRACCIONADA ........................................... 16 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................. 16 TEORIA ......................................................................................................................................................... 16 Punto de ebullición, relación estructura-punto de ebullición ................................................................. 16 Destilación simple ................................................................................................................................... 17 Destilación fraccionada .......................................................................................................................... 18 Diagrama de fase .................................................................................................................................... 19 Eficiencia de la columna ......................................................................................................................... 20 CUESTIONARIO ............................................................................................................................................. 21 EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES ORGÁNICOS Y DISOLVENTES ACTIVOS .......................... 23 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................ 23 TEORIA ......................................................................................................................................................... 23 Extracción con disolventes orgánicos ..................................................................................................... 23 iii
INDICE El embudo de separación ........................................................................................................................ 24 Emulsiones............................................................................................................................................... 26 Agente desecante químico ....................................................................................................................... 26 Extracción selectiva con disolventes activos ........................................................................................... 28 CUESTIONARIO .............................................................................................................................................. 29 SEPARACIÓN Y PURIFICACIÓN DE UNA MEZCLA DE TRES COMPONENTES ......................... 31 OBJETIVOS .................................................................................................................................................... 31 PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................................................. 31 MATERIAL .............................................................................................................................................. 31 SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 31 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 31 Tratamiento de residuos .......................................................................................................................... 32 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................................... 32 PRACTICA # 2: EL PETRÓLEO Y SUS DERIVADOS ............................................................................ 35 OBJETIVO................................................................................................................................................... 35 INTRODUCCIÓN. ...................................................................................................................................... 35 TEORIA ....................................................................................................................................................... 36 Destilación simple ................................................................................................................................... 36 Destilación fraccionada .......................................................................................................................... 37 Destilación a presión reducida ................................................................................................................ 39 MATERIAL ................................................................................................................................................. 40 SUSTANCIAS ............................................................................................................................................. 40 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 40 CUESTIONARIO ........................................................................................................................................ 41 PRACTICA # 3: CROMATOGRAFÍA DE CAPA FINA Y CROMATOGRAFIA DE COLUMNA ..... 43 OBJETIVO ...................................................................................................................................................... 43 ANTECEDENTES ....................................................................................................................................... 43 TEORIA ....................................................................................................................................................... 43 Separación sólido-líquido........................................................................................................................ 44 Secuencia de elución por compuesto ....................................................................................................... 45 Parámetros que afectan la separación .................................................................................................... 46 Cromatografía en capa fina .................................................................................................................... 46 Revelador................................................................................................................................................. 47 Frente de referencia (Rf) ......................................................................................................................... 48 MATERIALES ................................................................................................................................................. 49 MATERIALES ADICIONALES ........................................................................................................................... 49 iv
INDICE SUSTANCIAS ................................................................................................................................................. 49 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................................................... 50 Preparación de las placas ....................................................................................................................... 50 Preparación de las cámaras de desarrollo ............................................................................................. 51 Obtención de los valores de Rf a las muestras patrón ............................................................................ 52 Identificación de los compuestos presentes en la muestra problema ...................................................... 52 Extracción de los colorantes del tomate ................................................................................................. 52 CUESTIONARIO ........................................................................................................................................ 53 SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA MEDIANTE CROMATOGRAFÍA DE COLUMNA .................... 54 OBJETIVO ...................................................................................................................................................... 54 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................ 54 TEORÍA ......................................................................................................................................................... 54 PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................................................................. 56 Materiales por equipo de 2 alumnos ....................................................................................................... 56 Sustancias................................................................................................................................................ 56 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................................................... 56 Determinación de las condiciones de separación de los componentes del extracto de los colorantes del tomate. ..................................................................................................................................................... 56 Empaquetamiento de la columna ............................................................................................................ 56 Carga de la muestra ................................................................................................................................ 58 Elución de la columna ............................................................................................................................. 58 Comparación de la separación realizada, mediante cromatografía en capa fina .................................. 59 CUESTIONARIO ........................................................................................................................................ 61 PRÁCTICA # 4: SINTESIS DEL CICLOHEXENO ................................................................................... 63 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 63 ANTECEDENTES....................................................................................................................................... 63 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIMETRIA .................................................................................... 63 MECANISMO ............................................................................................................................................. 63 PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................................................. 64 MATERIAL .............................................................................................................................................. 64 SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 65 INFORMACIÓN ...................................................................................................................................... 65 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 65 Método A. Por destilación fraccionada................................................................................................... 65 Método B. Por reflujo directo. ................................................................................................................ 67 PRUEBAS DE INSATURACIÓN. ............................................................................................................ 68 v
INDICE REACCIÓN CON BR2/CCL4. ............................................................................................................................ 68 REACCIÓN CON KMNO4. ............................................................................................................................... 68 NOTAS ..................................................................................................................................................... 68 DIAGRAMA ECOLOGICO ................................................................................................................................. 69 CUESTIONARIO ........................................................................................................................................ 70 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................................... 70 ESPECTROS DE I.R. ........................................................................................................................................ 71 PRÁCTICA # 5A: OBTENCION DE ACIDO BENZOICO Y ALCOHOL BENZILICO ...................... 73 OBJETIVOS .................................................................................................................................................... 73 REACCIÓN ..................................................................................................................................................... 73 MECANISMO ................................................................................................................................................. 73 PARTE EXPERIMENTAL............................................................................................................................ 74 MATERIAL ................................................................................................................................................. 74 SUSTANCIAS ............................................................................................................................................. 75 PROCEDIMIENTO........................................................................................................................................ 75 ESPECTROS DE I.R. ........................................................................................................................................ 76 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................. 76 PRÁCTICA # 5B: OBTENCIÓN DE ACIDO BENZOICO A PARTIR DE ACETOFENONA ............. 77 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 77 ANTECEDENTES ....................................................................................................................................... 77 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIMETRIA .................................................................................... 77 MECANISMO ............................................................................................................................................. 78 PARTE EXPERIMENTAL .......................................................................................................................... 81 MATERIAL .............................................................................................................................................. 81 SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 81 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 81 DIAGRAMA ECOLÓGICO ........................................................................................................................ 82 CUESTIONARIO .............................................................................................................................................. 83 ESPECTROS DE I.R. ........................................................................................................................................ 83 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................................... 84 PRÁCTICA # 6: SISTESIS DEL BENZOATO DE METILO ................................................................... 85 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 85 Objetivo general: ..................................................................................................................................... 85 vi
INDICE Objetivos Específicos: ............................................................................................................................. 85 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................. 85 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIMETRIA................................................................................................ 86 MECANISMO .................................................................................................................................................. 86 PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................................................. 88 MATERIAL .............................................................................................................................................. 88 SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 88 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 88 PRECAUCIONES ESPECIALES. ...................................................................................................................... 89 DIAGRAMA ECOLÓGICO ................................................................................................................................ 91 CUESTIONARIO ............................................................................................................................................. 92 ESPECTROS DE I.R. ....................................................................................................................................... 92 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................................... 94 PRÁCTICA # 7: OBTENCIÓN DE UNA ESENCIA NATURAL ............................................................. 95 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 95 Objetivo general:..................................................................................................................................... 95 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................. 95 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................. 95 PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................................................. 96 MATERIAL .............................................................................................................................................. 96 SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 97 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 97 Aceites de clavo o de la pimienta inglesa ................................................................................................ 97 Preparación de un derivado .................................................................................................................... 98 Aceite de cinamomo ................................................................................................................................ 98 Preparación del derivado ........................................................................................................................ 99 PRÁCTICA # 8A: REACCION DE GRIGNARD. SINTESIS DEL ACIDO VALERICO O SINTESIS DEL 4-METIL-3-HEPTANOL...................................................................................................................... 81 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 81 ANTECEDENTES....................................................................................................................................... 81 REACCIONES A EFECTUAR Y ESTEQUIMETRIA ........................................................................................... 81 Síntesis de ácido valerico ........................................................................................................................ 81 Sintesis del 4-metil-3-heptanol ................................................................................................................ 82 MECANISMO .................................................................................................................................................. 82 PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................................................. 82 MATERIAL .............................................................................................................................................. 82 vii
INDICE SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 83 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 83 Acido Valerico ......................................................................................................................................... 83 4-metil-3-heptanol ................................................................................................................................... 84 PRÁCTICA # 8B: REACCION DE GRIGNARD PREPARACION DE TRIFENIL CARBINOL ........ 82 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 82 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................. 82 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIMETRIA ................................................................................................ 82 MECANISMO .................................................................................................................................................. 83 FORMACIÓN DE BROMURO DE FENIL MAGNESIO: ........................................................................................... 83 FORMACIÓN DEL TRIFENIL CARBINOL ........................................................................................................... 85 PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................................................. 87 MATERIAL .............................................................................................................................................. 87 SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 87 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 87 Bromobenceno ......................................................................................................................................... 88 Bromuro de fenil magnesio...................................................................................................................... 89 Adición de benzofenona ........................................................................................................................... 90 Adición de benzoato de etilo .................................................................................................................... 90 DIAGRAMA ECOLÓGICO .......................................................................................................................... 91 REACCIÓN DE GRIGNARD .............................................................................................................................. 91 OBTENCIÓN DE TRIFENIL CARBINOL .............................................................................................................. 91 REACCIÓN DE GRIGNARD .............................................................................................................................. 92 OBTENCIÓN DE TRIFENIL CARBINOL .............................................................................................................. 92 CUESTIONARIO ........................................................................................................................................... 93 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................. 93 PRÁCTICA # 9: CONDENSACION DE CLAISEN-SCHMIDT. SÍNTESIS DE DIBENZALACETONA .......................................................................................................................................................................... 95 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 95 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................. 95 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIOMETRIA ............................................................................................. 95 MECANISMO DE LA REACCIÓN ....................................................................................................................... 96 PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................................................................ 100 MATERIAL ............................................................................................................................................ 100 SUSTANCIAS ........................................................................................................................................ 100 viii
INDICE PROCEDIMIENTO ................................................................................................................................... 100 Datos para la cromatografía en capa fina (c.c.f) .................................................................................. 100 CUESTIONARIO ...................................................................................................................................... 101 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................ 101 DIAGRAMA ECOLÓGICO ............................................................................................................................... 102 ESPECTROS DE I.R. ..................................................................................................................................... 103 PRÁCTICA # 10: SALES DE DIAZONIO. OBTENCIÓN DEL ACIDO SULFANÍLICO, NARANJA DE METILO Y NARANJA II ..................................................................................................................... 105 OBJETIVOS .............................................................................................................................................. 105 ANTECEDENTES..................................................................................................................................... 105 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIOMETRIA ............................................................................... 106 MECANISMO DE LA REACCIÓN .......................................................................................................... 108 Acido sulfanílico.................................................................................................................................... 108 Sal de diazonio ...................................................................................................................................... 110 PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................................................................ 112 MATERIAL ............................................................................................................................................ 112 SUSTANCIAS ........................................................................................................................................ 113 PROCEDIMIENTO ................................................................................................................................... 113 Acido sulfanílico.................................................................................................................................... 113 Anaranjado de metilo ............................................................................................................................ 113 Naranja II .............................................................................................................................................. 114 DIAGRAMA ECOLÓGICO .............................................................................................................................. 115 Preparación del ácido sulfanílico ......................................................................................................... 115 Obtención de anaranjado de metilo ...................................................................................................... 116 Obtención de naranja II ........................................................................................................................ 117 CUESTIONARIO ...................................................................................................................................... 118 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................ 119 ESPECTROS DE I.R. ..................................................................................................................................... 120 PRÁCTICA # 11: SINTESIS DE CICLOHEXANONA POR OXIDACION DE CICLOHEXANOL CON HIPOCLORITO DE SODIO ............................................................................................................. 121 OBJETIVOS .............................................................................................................................................. 121 ANTECEDENTES ........................................................................................................................................... 121 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIOMETRIA ........................................................................................... 121 MECANISMO DE LA REACCIÓN ..................................................................................................................... 122 PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................................................................ 123 MATERIAL ............................................................................................................................................ 123 ix
INDICE SUSTANCIAS ........................................................................................................................................ 123 PROCEDIMIENTO ................................................................................................................................... 123 Pruebas de identificación ...................................................................................................................... 124 DIAGRAMA ECOLÓGICO .............................................................................................................................. 125 CUESTIONARIO ...................................................................................................................................... 126 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................. 127 ESPECTROS DE I.R. ...................................................................................................................................... 127 PRACTICA 12: SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA: NITRACIÓN DE LA ANILINA ........................................................................................................................................................................ 129 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................... 129 REACTIVOS ................................................................................................................................................. 130 1. PREPARACIÓN DE LA ACETANILIDA (2).................................................................................................... 130 2. PREPARACIÓN DE LA P-NITROACETANILIDA (3) ....................................................................................... 130 3. DESPROTECCIÓN DEL GRUPO NH2: PREPARACIÓN DE P-NITROANILINA (4) .......................... 130 PROCEDIMIENTO ......................................................................................................................................... 130 1. Preparación de la acetanilida (2) ..................................................................................................... 130 2.Preparación de la p-nitroacetanilida (3) ........................................................................................... 131 3. Desprotección del grupo NH2: Preparación de p-nitroanilina (4) .................................................... 131 CUESTIONES ................................................................................................................................................ 131 ESPECTROS DE I.R. ...................................................................................................................................... 132 x
Practica # 1 Técnicas Experimentales PRACTICA # 1: TECNICAS EXPERIMETALES PUNTO DE FUSIÓN SIMPLE Y MIXTO ANTECEDENTES  Punto de fusión como constante física.  Factores estructurales que determinan la fusión de un sólido.  Factores experimentales que determinan la fusión de un sólido.  Influencia de las impurezas en el punto de fusión.  Métodos, aparatos y equipos para determinar el punto de fusión.  Mezclas eutécticas.  Punto de fusión mixto. TEORIA Punto de fusión El punto de fusión de un sólido cristalino es la temperatura a la cual, la fase sólida y líquida se encuentra en equilibrio bajo la presión de una atmósfera. Cuando una pequeña cantidad de una sustancia sólida se calienta lentamente, se lee la temperatura a la cual se observa la primera gota de líquido en la muestra sólida, ésta es la temperatura mínima del intervalo de fusión de dicha sustancia. La temperatura a la que, la muestra finalmente resulta líquida, es la temperatura máxima del intervalo de fusión. Para sustancias puras, el intervalo entre esos dos puntos es muy corto (máximo 1 grado), un intervalo mayor indica que el producto está impuro. El punto de fusión es una propiedad física característica de cada sustancia; es una constante muy sensible a la presencia de impurezas, entre más pura sea una sustancia mayor será su punto de fusión y menor será el intervalo de fusión. Un compuesto orgánico impuro presenta no solo un amplio intervalo de fusión sino que su punto de fusión se abate en fusión de la cantidad de impurezas presentes. Por esta razón el punto de fusión es un índice de pureza usado para un compuesto orgánico sólido. 1
Practica # 1 Técnicas Experimentales Punto de fusión de compuesto impuros; diagrama de presión de vapor-temperatura La razón por la que el punto de fusión de una sustancia pura y cristalina es constante e instantáneo puede verse mediante el diagrama presión de vapor-temperatura. En la figura podemos observar que la curva AB corresponde a la presión de vapor, determinada experimentalmente, de un sólido X puro a las temperaturas comprendidas entre TA a TB; BC muestra la presión de vapor del líquido puro X a las temperaturas comprendidas entre TA a TC. A la temperatura TB, las presiones de vapor de las fases sólidas y líquidas de la sustancia pura X son iguales a PB; o lo que es lo mismo, las curvas de presión de vapor para la fase sólida y líquida se cortan en el punto B. La temperatura TB es por lo tanto el punto de fusión de X, es decir la temperatura en la que la fase sólida y líquida de X existe en equilibrio, una en presencia de la otra a la presión de una atmósfera. Se debe evaluar el efecto que una pequeña cantidad de una impureza Y (que es soluble en el líquido X) ejerce sobre el punto de fusión de un producto. En el preciso momento en que el último cristal de X ha fundido, toda la impureza Y se habrá disuelto en X. El punto de fusión sigue siendo la temperatura a la cual el líquido y el sólido de X existen en equilibrio a la presión de 1 atmósfera; la presión de vapor que hay que considerar aquí no es la total de la solución líquida (debido a X y Y), sino solamente la presión de vapor parcial debida al líquido X. Como la presencia de esta impureza disuelta disminuirá la presión de vapor debida al líquido X en el intervalo total de temperaturas de la solución líquida (curva B1C1), está claro que la presión de vapor del sólido X será igual a la debida al líquido X en la solución a la temperatura TB1, que es más baja que la del punto de fusión TB de la sustancia pura. 2
Practica # 1 Técnicas Experimentales En otras palabras. En presencia de esta cantidad de impurezas Y, la temperatura a la que funden las últimas trazas de X disminuye hasta TB1, y el efecto de la impureza Y es precisamente bajar el punto de fusión de X, lo mismo que cuando al hielo se le agrega sal o alcohol, se baja su punto de fusión por debajo de los 0 °C. Punto de fusión de mezcla de compuestos El diagrama que muestra el comportamiento de una mezcla de dos componentes en fusión (A + B), lo podemos observar a continuación. Este diagrama se construye determinando los puntos de fusión de mezclas preparadas a diferentes proporciones de un producto B en un producto A. Esta gráfica al mismo tiempo indica que el punto de congelación (paso de líquido a sólido), de un producto puro se bate por la presencia de una impureza. Si la sustancia A pura tiene menor punto de fusión que B pura, se observa que el punto de fusión disminuye hasta un punto mínimo llamado punto eutéctico, en el cual, además, el intervalo de fusión se hace mínimo, pudiéndose pensar que fuera pura, bajo ese criterio. No todas las mezclas binarias tienen un punto eutéctico y en cambio otras mezclas tienen varios puntos eutécticos. Cuando una mezcla de 80% de A y 20% de B (en moles), se calienta, antes de hacerse miscible la primera gota de líquido la mezcla se reblandece debido a que B se empieza a disolver en el producto A fundido, cuando se alcanza la máxima solubilidad de 3
Practica # 1 Técnicas Experimentales B en A, se observa la primera gota, punto inicial de la fusión; luego más cantidad de B funde hasta que todo es un líquido, máxima temperatura del punto de fusión. El punto mínimo de fusión de cualquier mezcla siempre será el punto eutéctico (Tc), sin embargo no siempre es fácil de observar esta temperatura y la aparición de la primera gota generalmente ocurre arriba de Tc. Punto de fusión de compuestos desconocidos En la identificación de un compuesto desconocido es sumamente útil recurrir a la determinación de un punto de fusión mixto. Se prepara una mezcla (1:1) del compuesto desconocido y el compuesto puro que se supone es idéntico (compuesto de referencia), los cuales tienen un punto de fusión muy similar o igual. A continuación se determinan los puntos de fusión del compuesto desconocido, del compuesto de referencia y de la mezcla de ambos, al mismo tiempo y en el mismo aparato. Si los tres se funden simultáneamente, el compuesto desconocido y el de referencia son idénticos. Si la mezcla tiene el punto de fusión más bajo, los dos compuestos son diferentes. Métodos, aparatos y equipos para determinar el punto de fusión Existen varios tipos de aparatos para determinar el punto de fusión. Uno de stos aparatos utiliza un tubo de Thiele y tubos capilares de vidrio para contener la muestra, los cuales se colocan en un baño de calentamiento. Otros aparatos cuentan con planchas de calentamiento en la que se coloca la muestra entre dos cubreobjetos, ambos aparatos cuentan con un termómetro y en algunos casos con un reóstato que regula la velocidad de calentamiento. Los termómetros para la realización del punto de fusión deben ser calibrados, mediante la determinación del punto de fusión de cinco o seis compuestos puros que abarquen un amplio rango de temperatura del termómetro. CUESTIONARIO 1. Explique si mezclas de sustancias diferentes, pero con punto de fusión igual, funden a temperatura igual o diferente a las de as sustancias originales. 2. Explique por qué una sustancia impura presenta un abatimiento en su punto de fusión. 3. ¿Cuáles son los parámetros que influyen en el valor del punto de fusión? 4. Si tiene los siguientes isómeros; explique la diferencia en los puntos de fusión de éstos. 4
Practica # 1 Técnicas Experimentales O H H H C OH C C C C HO C C OH HO C H O O O Acido maléico Acido fumárico p.f. 140-142 °C p.f. 299-300 °C (sublima) 5. ¿Qué parámetro experimental deben controlarse en la determinación del punto de fusión por el método de Thiele? 5
Practica # 1 Técnicas Experimentales SOLUBILIDAD EN DISOLVENTES ORGÁNICOS Y CRISTALIZACIÓN SIMPLE ANTECEDENTES  Solubilidad.  Disolventes utilizados en cristalización. Sus propiedades y características.  Pruebas de solubilidad. Factores que determinan la solubilidad.  Elección de un disolvente para una cristalización.  Factores que influyen en la cristalización.  Formas de inducir la cristalización.  Diversas técnicas de filtración.  Etapas del proceso de cristalización como método de purificación de sólidos. TEORIA Solubilidad Por lo general, los compuestos orgánicos sólidos se pueden purificar por cristalización. La técnica general incluye la disolución del sólido que va a ser cristalizado, en un disolvente o mezcla de disolvente calientes a punto de ebullición y, posteriormente, al enfriar la solución, cristaliza o precipita como sólido amorfo. A este fenómeno se le llama cristalización si el crecimiento del cristal es relativamente lento y selectivo o también se le conoce como precipitación si el proceso es muy rápido y no selectivo. La cristalización es un proceso de equilibrio de las moléculas en una red cristalina con las moléculas en solución, y de este proceso resulta un sólido puro. Inicialmente se forma un pequeño núcleo cristalino y a partir de él van creciendo las capas cristalinas en un proceso reversible y selectivo. Las moléculas no adecuadas a la red cristalina, posiblemente regresen a la solución y las moléculas adecuadas son retenidas en ella. En cualquier cristalización, un enfriamiento de la solución demasiado rápido o demasiado lento debe evitarse. Se debe evitar enfriar muy rápido, así como añadir rápidamente un disolvente en el cual no es soluble el producto, ambos son errores que conducen a una mala purificación. 6
Practica # 1 Técnicas Experimentales La cristalización está fundamentada en las relaciones de solubilidad soluto— disolvente, por lo tanto, el sólido debe presentar un comportamiento de solubilidad adecuado. La solubilidad de los compuestos orgánicos es una función de las polaridades del disolvente y en soluto. Cuando se disuelve un sólido o un líquido, las unidades estructurales (iones o moléculas) se separan y el espacio entre ellas es ocupado por moléculas de disolvente. Para que exista la disolución, debe suministrarse energía para vencer las fuerzas intermoleculares o interiónicas; esta energía proviene de las interacciones electrostáticas soluto—disolvente. En moléculas polares, estas interacciones electrostáticas son dipolo—dipolo, puente de hidrógeno (fenómenos de solvatación), mientras que en moléculas no polares las interacciones son del tipo de las fuerzas de van der Waals. Existe una regla empírica qu establece “lo semejante disuelve a lo semejante”. Si el soluto es muy polar, lo disolverá un disolvente muy polar; si es no polar, un disolvente no polar lo disolverá. Los compuestos que tienen grupos funcionales capaces de formar puentes de hidrógeno (por ejemplo, -OH, -NH2, -COOH, -CONH2) son: Estos compuestos son más solubles en disolventes hidroxílicos como el agua o metanol que en hidrocarburos como benceno o hexano. Si el grupo funcional no predomina en la molécula, la solubilidad cambia. Por ejemplo, el alcohol dodecilico, CH3-(CH2)10- CH2-OH, es insoluble en agua, su cadena de doce átomos de carbono causa que sea más parecido a un hidrocarburo que a un alcohol. Otra molécula interesante es el p-terbutil 7
Practica # 1 Técnicas Experimentales fenol, la cual por la presencia del grupo –OH es soluble en agua pero también es soluble en hexano por la parte alquilarílica de la molécula. La estructura de la red cristalina también afecta la solubilidad. Por ejemplo, entre isómeros, aquel de punto de fusión mayor, presentara menor solubilidad que los otros con respecto a determinado disolvente. TEORÍA DE LA CRISTALIZACIÓN La cristalización de un sólido depende de la diferencia de solubilidad de éste en un disolvente a temperatura ambiente y a temperatura de ebullición. También es importante considerar la solubilidad de las impurezas, cuando la solubilidad de ellas es igual en el disolvente frió como en el disolvente caliente, no se logra purificar el sólido por cristalización. Un sólido puede ser purificado por cristalización cuando la solubilidad del sólido y las impurezas son diferentes y las impurezas representan una pequeña proporción con relación al peso total del sólido; al enfriar la solución el sólido cristaliza y las impurezas no. Lo anterior se puede entender con el siguiente diagrama 1 que considera un sólido “A” y su impureza “B”. A la solución remanente después de la cristalización se le llama líquido madre. 8
Practica # 1 Técnicas Experimentales SELECCIÓN DE DISOLVENTE La selección del disolvente para cristalización se realiza mediante pruebas de solubilidad del sólido por purificar con una variedad de disolventes. El sólido debe reunir ciertas condiciones de solubilidad con respecto al disolvente. El sólido debe ser ligeramente soluble o insoluble a temperatura ambiente y totalmente soluble a la temperatura de ebullición del disolvente; el disolvente que reúna estas características será el “ideal” para cristalizar el sólido. La gráfica de solubilidad ante la temperatura nos muestra el comportamiento de un disolvente ideal respecto a otros disolventes. A: disolvente ideal en el que el sólido es poco soluble a temperatura ambiente y muy soluble a ebullición. 9
Practica # 1 Técnicas Experimentales B: disolvente en el que el sólido es poco soluble. C: disolvente en el que el sólido es muy soluble. Al realizar las pruebas de solubilidad es importante tener la relación correcta sólido/disolvente, por esta razón se utiliza 0.1 g de sólido por 3 mL de disolvente. Otras características que debe reunir el disolvente ideal son las siguientes: No debe reaccionar con el sólido. Tener punto de ebullición inferior al punto de fusión del sólido por purificar; debe evitarse utilizar disolventes de punto de ebullición más alto que el punto de fusión del sólido por cristalizar, para evitar que éste se funda en vez de disolverse. Debe presentar volatilidad moderada (bajo p. eb.) para eliminar con cierta facilidad de los cristales. Experimentalmente, las pruebas se realizan en una serie de tubos de ensayos limpios y secos, en donde se coloca la cantidad de sólido y el disolvente en la relación adecuada. Las pruebas de solubilidad se realizan con diferentes disolventes para obtener una información completa acerca de la solubilidad del sólido. Si el compuesto es conocido, se investiga su solubilidad en libros de constantes físicas para elegir el disolvente adecuado para la purificación. TÉCNICA DE CRISTALIZACIÓN Disolución de sólidos. La disolución de sólidos se realiza de preferencia en matraces Erlenmeyer en lugar de vasos o cualquier otro recipiente, con el objeto de proteger la solución del polvo y evitar una evaporación excesiva de disolvente. El sólido se pulveriza antes de disolverlo; la pérdida de sólido es el líquido madre se evita con la saturación adecuada de la solución, la cual al enfriar, transformará con alto rendimiento el sólido en cristales. Antes de iniciar el calentamiento de un disolvente es necesario agregar un pequeño fragmento de material poroso (carborundum, tezontle, plato poroso, etc.) para evitar el sobrecalentamiento del mismo. El disolvente se calienta a punto d ebullición, se agrega la cantidad necesaria al sólido para disolverlo y la mezcla se calienta nuevamente hasta ebullición. Si el sólido no se ha disuelto, se adiciona otro pequeño volumen de disolvente caliente y nuevamente se lleva a ebullición hasta lograr la disolución total del sólido en la mínima cantidad del disolvente. 10
Practica # 1 Técnicas Experimentales Filtración. Es común que el sólido impuro presente partículas de impurezas insolubles, polvo, fibras de papel y restos de otros materiales; las cuales se pueden pretender disolver sin lograrlo y aumentar sin necesidad, el volumen del disolvente usado. Para eliminar estas impurezas, se utiliza la filtración por gravedad en caliente en el embudo de vidrio de tallo corto. Es conveniente antes de filtrar, precalentar el embudo y el matraz donde se va a recibir el filtrado, para evitar la cristalización del sólido en el tallo del embudo. El papel filtro debe utilizarse estriado o en forma de cono para aumentar la velocidad de filtración. La solución caliente se filtra por gravedad para eliminar las impurezas insolubles y restos de carbón activado. Si los cristales empiezan a formarse en el filtro durante la filtración por gravedad, se adiciona una cantidad mínima de disolvente caliente para disolverlos. 11
Practica # 1 Técnicas Experimentales 12
Practica # 1 Técnicas Experimentales CRISTALIZACIÓN La solución filtrada se deja reposar a temperatura ambiente durante 5 minutos y posteriormente se enfría en un baño de hielo. Si al enfriar la solución no cristaliza, debe inducirse la cristalización empleando diferentes técnicas: a) Siembra de la solución con cristales puros de la misma sustancia que se está purificando y que sirven como núcleos de cristalización. b) Raspar las paredes del matraz con una varilla o espátula. Este movimiento debe ser vertical y firme para producir vibraciones de alta frecuencia que induzcan la cristalización. También es probable que la inducción de la cristalización se deba a la introducción de pequeños cristales formados por evaporación del disolvente en las paredes del matraz y que sirve como núcleo de cristalización. c) Si no se logra la cristalización utilizando los incisos a y b, puede deberse al exceso de disolvente; si es el caso, es necesario evaporar un poco y volver a enfriar, repitiendo lo indicado en los incisos. Separación de cristales. La filtración a vacío se utiliza para separar los cristales del líquido madre. El material necesario para esta operación es el siguiente: embudo Büchner, adaptador de hule, matraz Kitasato, tubo de hule para vacío, pinzas, soporte y papel filtro circular a la medida para que cubra los orificios del embudo Büchner. 13
Practica # 1 Técnicas Experimentales CUESTIONARIO 1. ¿Qué información se obtiene de un sólido al que se le realizan pruebas de solubilidad con disolventes orgánicos de polaridad conocida? 2. Un sólido que es soluble en frió, ¿podrá recristalizarse del disolvente en que se encuentra? Fundamente su respuesta. 3. Un sólido que es insoluble en caliente, ¿podrá recristalizarse del disolvente en que se encuentra? Fundamente su respuesta. 4. ¿Cuáles son las principales características que debe presentar un sólido para recristalizarlo de su disolvente ideal? 5. En qué parte del proceso de recristalización es eliminada cada una de las impurezas solubles e insolubles? 6. ¿Qué condiciones se deben controlar en el enfriamiento de la solución para tener cristales de máxima pureza? 7. Prediga cuales de los siguientes compuestos son más solubles en benceno, justifique su respuesta: 8. a) Acido oxálico b) etilendiamina c) malonato de etilo 9. De la siguiente lista de compuestos orgánicos (izquierda) y disolventes (derecha), elija el disolvente en el cual cada sólido sea semejante para ser soluble (no necesariamente disolvente ideal). a) a) H2O b) H3C CH2 OH b) H3C CH2 CH2 OH 4 c) éter de petróleo O - + c) H3C CH2 C O Na d) 14
Practica # 1 Técnicas Experimentales 10. ¿Qué se hace con los sólidos contenidos en las aguas madres? 11. ¿Cuál es el objetivo de determinar el punto de fusión antes y después de cristalizar un sólido? 12. ¿Por qué razón no se debe desechar por el drenaje, disolventes orgánicos como: hexano, acetato de etilo, acetona, etanol y metanol? 15
Practica # 1 Técnicas Experimentales PUNTO DE EBULLICIÓN, DESTILACIÓN SIMPLE Y FRACCIONADA ANTECEDENTES  Relación entre las propiedades físicas y la estructura molecular de los alcanos y los alcoholes.  Propiedades físicas de alcanos y alcoholes.  Presión de vapor. Punto de ebullición.  Destilación simple y fraccionada. Características y diferencias.  Diagrama de composición vapor-líquido.  Concepto de plato teórico y número de platos teóricos en una columna de destilación fraccionada.  Eficiencia de la columna de destilación fraccionada. Factores que intervienen en una destilación.  Ley de Raoult. TEORIA Punto de ebullición, relación estructura-punto de ebullición El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a la presión externa. Para que una sustancia alcance su punto de ebullición, es necesario suministrar la energía necesaria para que pase del estado líquido al estado de vapor. En general, los factores que determinan el punto de ebullición son: el peso molecular, la forma lineal o ramificada de las moléculas, su polaridad y la asociación intermolecular. En el caso de los alcoholes se ha observado que a medida que aumenta el número de carbono, de la cadena lineal, el punto de ebullición también aumenta; sin embargo, éste disminuye al aumentar las ramificaciones moleculares. Entre los hidrocarburos, los factores que determinan puntos de ebullición suelen ser principalmente el peso molecular y la forma, lo que es de esperar de moléculas que se mantienen unidas esencialmente por fuerzas de van der Waals. 16
Practica # 1 Técnicas Experimentales Dentro de una familia es de esperar que cuanto más grande sea una molécula y, por lo mismo, su superficie, más intensa son las fuerzas intermoleculares. El punto de ebullición aumenta conforme crece el número de carbonos; el punto de ebullición sube porque las fuerzas intermoleculares se intensifican a medida que aumenta el tamaño molecular. Un isómero ramificado tiene un punto de ebullición más bajo que uno de cadena recta. Al aumentar las ramificaciones en una molécula, la forma de ésta tiende a aproximarse a la de una esfera, con lo que disminuye sus superficie; esto se traduce en un debilitamiento de las fuerzas intermoleculares. Los alcoholes también exhiben un aumento del punto de ebullición, con un número creciente de átomos de carbono y una disminución del mismo, con una mayor ramificación. Sus puntos de ebullición anormalmente elevados se deben a que son líquidos asociados y por lo mismo requieren mayor energía para romper los puentes de hidrógeno que mantienen unidas a las moléculas. Destilación simple La destilación es un proceso que consiste en la evaporación de un líquido, condensación del vapor y colección del condensado. Cuando una sustancia líquida se contamina con pequeñas cantidades de impurezas, éstas pueden eliminarse por algún método de destilación, Se dice entonces que se efectúa una purificación. Cuando dos o más sustancias líquidas se encuentran formando mezclas en proporción relativamente parecida, se dice que la destilación puede usarse para la separación de componentes. 17
Practica # 1 Técnicas Experimentales En cada caso, deberá elegirse la técnica de destilación más acorde con las características de la muestra. Existen cuatro métodos de destilación: destilación simple, destilación fraccionada, destilación a presión reducida y destilación por arrastre con vapor. La relación entre la presión y la temperatura de ebullición de un líquido está determinada por su comportamiento presión de vapor-temperatura. Si un líquido contiene una impureza volátil, la separación de ambos se realiza generalmente por destilación. Cualquier par de sustancias que no tenga presiones de vapor idénticas se pueden separar por destilación. Como regla general, se puede indicar que una mezcla de dos componentes con una diferencia de por lo menos 80 °C puede separarse por una destilación sencilla. Sustancias cuyos puntos de ebullición difieren por menos de 80 °C se separan por destilación fraccionada. La destilación simple se utiliza para la purificación de compuestos orgánicos líquidos. Las mezclas, cuyos componentes no presentan grandes diferencias en sus puntos de ebullición, se separan por destilación fraccionada; esta técnica se utiliza continuamente en la industria y laboratorios. Destilación fraccionada La destilación fraccionada debe emplearse para separar y purificar mezclas de sustancias de puntos de ebullición cercanos. Actualmente se dispone de equipos de destilación fraccionada muy eficaces para lograrlo. Si una mezcla formada por benceno (p. eb.: 80 °C) – tolueno (p. eb.: 110 °C) cuyos componentes difieren 30 °C en sus puntos de ebullición, se separan por destilación simple, y al trazar una gráfica de punto de ebullición ante volumen de destilado podemos concluir al observarla, que se trata de una mezcla de dos componentes de punto de ebullición similar, por lo mismo, no se observa una separación definida con este método de destilación. Con base en la gráfica, se observa que no hay constancia en el punto de ebullición porque éste aumenta continuamente. Esta misma mezcla se puede separar eficazmente utilizando la técnica de destilación fraccionada, al emplear una columna de fraccionamiento que proporciona una gran superficie para el intercambio de calor, en las condiciones de equilibrio, entre el vapor ascendente y el condensado descendente. 18
Practica # 1 Técnicas Experimentales Al trazar una gráfica de los puntos de ebullición ante volumen de condensado, se observa una buena separación donde hay definición de las fracciones separadas. Diagrama de fase El diagrama de fase para una destilación fraccionada de un sistema ideal de dos componentes (A y B), se utiliza para explicar el funcionamiento de una columna de fraccionamiento. El diagrama relaciona la composición del líquido en ebullición con su vapor como una función de la temperatura. 19
Practica # 1 Técnicas Experimentales Diagrama de fase de la destilación fraccionada de un sistema ideal de dos componentes Las líneas horizontales (L1 V1, L2 V2, L3 V3, etc.) representan la evaporación en el ciclo evaporación↔condensación e indica la composición del vapor en equilibrio con el líquido. Por ejemplo, a 63 °C un líquido con una composición de 50% de A (L3 sobre el diagrama) puede producir vapor con la siguiente composición: 80% A (V3 en el diagrama) en el equilibrio. El vapor es más rico en el componente de menor punto de ebullición (A) con relación al líquido original. Las líneas verticales (V1 L2, V2 L3 etc.) representan la condensación en el ciclo evaporación↔condensación. Por ejemplo, el vapor en V3 se condensa para dar un líquido (L4) con la siguiente composición: 80% de A. Este proceso de evaporación↔condensación se presenta a lo largo de la columna de fraccionamiento, como se muestra en la figura. Eficiencia de la columna La eficiencia de la columna se da con relación a los platos teóricos. Una columna puede tener un plato teórico si el primer destilado tiene la composición localizada en L2 (20% A) iniciando con un líquido de composición L1 (5% A) como se observa en el diagrama. Esto corresponde a una destilación simple en el ciclo evaporación condensación. Una columna puede tener dos platos teóricos si el destilado tiene la composición L3 (50% A) partiendo de un líquido de composición L1 (5% A). Proceso de evaporación↔condensación en una columna de fraccionamiento Los dos platos teóricos de la columna efectuarán dos destilaciones simples correspondiendo a las líneas L1V1L2 y L2V2L3 como se observa en el diagrama. 20
Practica # 1 Técnicas Experimentales Para separar A de B se necesitan cinco platos teóricos, o sea, se efectuaron a través de ella cinco destilaciones simple. CUESTIONARIO 1. De acuerdo as su formula estructural ordene los siguientes isómeros del pentano y hexano según su punto de ebullición creciente: CH3 CH3 a) H3C C CH3 d) H3C HC HC CH3 CH3 CH3 CH3 b) H3C CH2 CH2 CH2 CH3 e) H3C C CH2 CH3 CH3 c) H3C HC CH2 CH3 f) H3C HC CH2 CH2 CH3 CH3 CH3 2. ¿Qué establece la Ley de Raoult? Conteste en palabras y matemáticamente. 21
Practica # 1 Técnicas Experimentales 3. Tabla de presión de vapor para el benceno y tolueno a diferentes temperaturas: Temperatura mm.Hg Temperatura mm.Hg Benceno 30 °C 120 Tolueno 30 °C 37 40 180 40 60 50 270 50 95 60 390 60 140 70 550 70 200 80 760 80 290 90 1010 90 405 100 1340 100 560 111 711 4. ¿Cuál es la fracción molar de cada componente si 39 g de benceno (C6H6) se disuelven en 46 g de tolueno (C7H8)’ 5. Considere a esta mezcla ideal, de acuerdo a la Ley de Raoult. ¿Cuál es la presión de vapor parcial del benceno en esta mezcla a 50 °C? 6. ¿Cuál es la composición del vapor en el punto de ebullición (50 °C)? 7. ¿Qué finalidad tiene conectar el agua a contracorriente en el refrigerante? 8. ¿Qué criterio se sigue para separar diferentes fracciones durante una destilación? Explique. 9. ¿En qué caso se recomienda utilizar la destilación simple y en cuáles la destilación fraccionada?. 22
Practica # 1 Técnicas Experimentales EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES ORGÁNICOS Y DISOLVENTES ACTIVOS ANTECEDENTES  Coeficiente de reparto o de distribución.  Métodos de extracción: simple, múltiple y selectiva.  Disolventes orgánicos y activos empleados para la técnica de extracción. Sus características físicas y químicas.  Diseño de diagramas de separación de mezclas: acido, base, neutro.  Reacciones ácido-base ocurridas al extraer compuestos con disolventes activos.  Agentes desecantes. TEORIA Extracción con disolventes orgánicos La extracción es la transferencia de un soluto de un disolvente a otro. El soluto se extrae por un proceso de distribución. Cuando una solución (soluto A en disolvente 1) se agita con un segundo disolvente (disolvente 2) con el cual es inmiscible, el soluto se distribuye entre las dos fases hasta lograr una situación de equilibrio. Al separarse las dos capas de los disolvente inmiscibles se determina la concentración del soluto en cada capa, la relación de las concentraciones en cada capa fase es una constante. Esta constante, es llamada coeficiente de distribución (o partición), K, la cual es definida por: C2 K C1 Conde C1 y C2 son las concentraciones en equilibrio, en gramos/litro, del soluto en el disolvente 1 y en el disolvente 2 a una temperatura determinada. Esta relación es independiente de la concentración total y de los volúmenes de los disolventes. El coeficiente de distribución tiene un valor constante para cada soluto y es dependiente de la naturaleza del disolvente utilizado en cada caso. Con base en el coeficiente de distribución, no todo el soluto se transfiere al disolvente 2 en una sola extracción a menos que el valor de K sea muy alto. Generalmente 23
Practica # 1 Técnicas Experimentales se requieren varias extracciones para eliminar el soluto del disolvente 1. Los disolventes orgánicos utilizados en extracción deben tener baja solubilidad en agua, alta capacidad de solvatación hacia la sustancia que se va a extraer y bajo punto de ebullición para facilitar su eliminación posterior. La extracción tiene amplia aplicación en la Química Orgánica. Se utiliza para extraer productos y eliminar impurezas de las mezclas de reacción, se emplea también para extraer productos de tejidos animales o de plantas. Para extraer un soluto de una solución es más efectivo realizar varias extracciones empleando volúmenes pequeños (extracción múltiple), que realizar una sola extracción (extracción simple) mediante el empleo de un volumen grande de disolvente. Matemáticamente esto se comprueba con la siguiente expresión: W K  n Wn  o V Kv  s Wn = g de soluto remanentes en la fase acuosa después de n extracciones Wo = g de soluto en la fase acuosa V = volumen de fase acuosa S = volumen del disolvente de extracción K = coeficiente de partición El embudo de separación El embudo de separación es la pieza que se utiliza en la extracción. La forma correcta de agitar el embudo se muestra en la Figura 1. El tapón y la llave, que deben estar bien ajustados, que se lubrican con una grasa adecuada antes de usarlos. El embudo debe agitarse moderadamente y purgarlo (aliviar presión) con frecuencia, para evitar la presión en el interior (Figura 1 y 2). 24
Practica # 1 Técnicas Experimentales Figura 1: Agitación del embudo Después de agitar el embudo se debe reposar para la formación de una interfase que da la pauta para la separación de las fases. (Figura 3) En la identificación de fases es importante conocer la densidad de los disolventes orgánicos para ubicar su posición en el embudo con respecto a la fase acuosa. El número de extracciones en cada caso depende del coeficiente de distribución del disolvente. Figura 2: Purga del embudo 25
Practica # 1 Técnicas Experimentales Figura 3: Separación de fases Emulsiones Con frecuencia se forman emulsiones durante el proceso de extracción. Estas pueden romperse mediante:  Un movimiento de giro suave al líquido del embudo.  Agitación vigorosa de la capa emulsionada.  Agitación de la fase acuosa con solución saturada de cloruro de sodio.  Centrifugación. Agente desecante químico  Un desecante debe reunir ciertas condiciones:  No reaccionar con la sustancia que se va a secar.  Ser eficaz, o sea, tener alto poder desecante; esto es, eliminar el agua completamente o casi completamente cuando se alcanza el equilibrio. 26
Practica # 1 Técnicas Experimentales  Tener gran capacidad de desecación, es decir, eliminar una gran cantidad de agua por unidad de peso de desecante.  Secar rápidamente (alcanzar rápido el equilibrio)  Separarse fácilmente de la sustancia una vez seca. Los desecantes químicos se pueden dividir en dos grupos: a) Aquellos que reaccionan químicamente con el agua en un proceso no reversible, lo cual da lugar a un nuevo compuesto libre de agua. b) Los que se combinan reversiblemente con el agua para formar un hidrato. En la tabla 1 se presenta una serie de agentes desecantes con sus principales características y que son eliminados por filtración. Tabla 1. Agentes desecantes Acidez Hidratación Capacidad* Eficiencia** Velocidad*** Uso Sulfato de Neutro MgSO4.7H2O Alta Media Rápida General Magnesio Sulfato de Neutro Na2SO4.7H2O Alta Baja Media General Sodio Na2SO4.10H2O Cloruro de Neutro CaCl2.2H2O Baja Alta Rápido Hidrocarburos Calcio CaCl2.6H2O Haluros Sulfato de Neutro CaSO4.1/2H2O Baja Alta Rápida General Calcio CaSO4.2H2O Carbonato Básico K2CO3.1/2H2O Media Media Media Aminas, ésteres, de Potasio K2CO3. 2H2O bases, cetonas Hidróxido Básico Rápida General de Potasio * Cantidad de agua eliminada por peso de agente secante ** Se refiere a la cantidad de H2O en solución en equilibrio con el agente secante *** Se refiere a la velocidad de secado 27
Practica # 1 Técnicas Experimentales Extracción selectiva con disolventes activos La extracción selectiva se emplea para separar mezclas de compuestos orgánicos, en función de la acidez, de la basicidad o de la neutralidad de éstos. Para realizar estas separaciones, es necesario utilizar disolventes activos, éstos pueden ser ácidos o básicos. Los disolventes activos ácidos que más se utilizan son HCl y H2SO4 en solución acuosa al 5 o 10%. Los disolventes activos básicos pueden ser fuertes como NaOH, KOH o moderados como NAHCO3 y Na2CO3 en solución acuosa al 5 y 10%. Las extracciones selectivas se basan en una reacción ácido-base entre el producto a separar y el disolvente activo ademado. Los compuestos iónicos son más solubles en agua que los compuestos covalentes y éstos más solubles en disolventes orgánicos que aquellos. Los compuestos básicos como aminas, se extraen con disolventes activos ácidos (HCl al 5 o 10%); la reacción que ocurre es la siguiente: + - R NH2 + HCl R NH3 Cl Unión covalente Unión iónica Menos polar Más polar Solubles en disolventes Soluble en agua Orgánicos Los ácidos carboxílicos reaccionan con disolventes activos básicos como NaOH, Na2CO3 o NAHCO3 al 5 o 10%, Las reacciones ácido-base que se efectúan son las siguientes: O O - + R C OH + NaOH R C O Na + H2O Unión covalente Unión iónica Menos polar Más polar Solubles en disolventes Soluble en agua Orgánicos 28
Practica # 1 Técnicas Experimentales Los fenoles son compuestos menos ácidos que los ácidos carboxílicos. Por esta característica, reaccionan únicamente con bases fuertes como NaOH al 5 o 10%, lo anterior constituye la base para separar ácidos de fenoles. - + OH O Na + NaOH + H2O Fenóxido de sodio Fenol Sal soluble en agua La extracción selectiva también se utiliza para eliminar impurezas ácidas o básicas a un producto aislado de una mezcla de reacción. Los compuestos que no tienen características ácidas o básicas los consideramos neutros. Los compuestos extraídos pueden recuperarse por neutralización del disolvente activo para extraer. Si un compuesto está disuelto en fase básica éste puede recuperarse acidificando la solución. Por el contrario, si el compuesto está disuelto en fase acuosa ácida, puede recuperarse al agregar una base y modificar el pH hasta lo básico. Los compuestos neutros disueltos en un disolvente orgánico, se recuperar al eliminar el disolvente por destilación. CUESTIONARIO 1. ¿Qué es un disolvente activo? Cite cinco ejemplos. 2. ¿En qué casos debe utilizarse la extracción múltiple? 3. ¿En qué caso debe utilizarse la extracción selectiva? 4. ¿Por qué el compuesto neutro debe obtenerse por destilación del disolvente en el que se encuentra y no por cristalización en dicho disolvente? 5. Diga cuál de los siguientes sistemas de disolventes son factibles para la extracción. De acuerdo a su densidad, ¿en qué fase quedarian ubicados los disolventes? a) Hexano-agua b) Tolueno-agua c) Ac. Acetico-agua d) Ac. Clorhídrico-agua 6. Diseñe un diagrama de separación para una mezcla de m-nitroanilina, b-naftol y p- dicloro-benceno. 29
Practica # 1 Técnicas Experimentales 7. De acuerdo con un criterio de calidad, especificidad y costo ¿qué tipo de hidróxido de sodio recomendaría para un proceso de extracción de la fase orgánica? a) Sosa en escamas b) Sosa al 50% (sol. Acuosa) c) Hidróxido de sodio grado R.A. d) Sosa cáustica grado Rayón 30
Practica # 1 Técnicas Experimentales SEPARACIÓN Y PURIFICACIÓN DE UNA MEZCLA DE TRES COMPONENTES OBJETIVOS  Conocer la técnica de extracción como método de separación y purificación de sustancias integrantes de una mezcla.  Elegir los disolventes adecuados para un proceso de extracción.  Realizar diferentes tipos de extracción: simple, múltiple y selectiva. Aplicarlos a problemas específicos.  Conocer el proceso de destilación simple. PARTE EXPERIMENTAL MATERIAL Embudo de separación con tapón 1 Embudo de vidrio 1 Probeta de 25 ml 1 Matraz pera Quickfit 1 Vaso de precipitado de 250 ml 1 T de destilación 1 Vaso de precipitado de 150 ml 2 Refrigerente de agua con mangueraa 1 Matraz Kitasato con manguera 1 Colector 1 Espátula 1 Pinzas de 3 dedos con nuez 2 Agitador de vidrio 1 Recipiente de peltre 1 Embudo Büchner 1 Manta de calentamiento 1 Matraces Erlenmeyer de 125 ml 3 Tubos de ensayo 8 Matraces Erlenmeyer de 50 ml 4 Pipetas graduadas de 10 ml 2 SUSTANCIAS Se entregara a cada grupo dos muestras problemas, las cuales pueden ser líquidas o sólidas. PROCEDIMIENTO El estudiante deberá realizarle un análisis de la muestra y tomando en cuenta el estado físico en el cual se presente la muestra, para luego tomara la decisión de que tipo de técnica según la teoría estudiada debe aplicar para la separación y purificación de los componentes presentes en la muestra. Deberán realizar un esquema de separación y purificación, dependiendo del caso a estudiar, y proponer que hacer con los desechos generados. 31
Practica # 1 Técnicas Experimentales Una vez separados y purificados los compuestos el estudiante determinara los grupos funciónales o grupo funcional principal presente en los compuestos puros, además deberá determinarle las diferentes propiedades físicas, dependiendo del estado de la muestra. Todos los análisis realizados a la muestra se deberán documentar, tanto en tablas como por escrito. Tratamiento de residuos Los residuos de este experimento son los siguientes. a) Residuos ácidos: deben neutralizarse y desecharse en el embase dispuesto para los mismos. Si presentan sólidos, se filtran previamente y se empacan para su posterior tratamiento. b) Residuos básicos: el tratamiento es igual que para los residuos ácidos. c) Residuos Etéreos: recuperar l disolvente por destilación para uso posterior; las colas de la destilación se almacenan para su posterior tratamiento. d) Residuos de Na2SO4: lavar con etanol y secar en la estufa para su uso posterior. BIBLIOGRAFIA 1. Brewster, R.Q., Vanderwerf, C.A. y McEwen, W.E., Curso práctico de química orgánica, 3ª. Ed., Alambra, S.A., Madrid, España, 1979. 2. Fessender, R.J. y Fessender, J.S., Techniques and Experiments for Organic Chemistry, Willard Grant Press, Boston, EU, 1983. 3. Mayo, D.W., y Pike, R.M., Microscale Organic Laboratory, John Wiley and Sons, Nueva York, EU, 1986. 4. Moore, J.A. y Dalrymple, D.L., Experimental Methods in Organic Chemistry, 2a. ed., W.B. Saunders, Philadelphia, EU, 1976. 5. Pavia, D.L., Lampman, G.M. y Kriz, G.S., Introduction to Organic Laboratory Techniques, Saunders College Publishing, 1988. 6. Perry, Chemical Engineer’s Handbook, McGraw-Hill, EU. 7. Roberts, R.M., Gilbert, J.C., Rodewald, L.B., Wingrove, A.S., Modern Experimental Organic Chemistry, 3ª. Ed., Holt, Reinehart and Winston, Nueva York, EU, 1979. 32
Practica # 1 Técnicas Experimentales 8. Vogel, A.I., A Textbook of Practical Organic Chemistry, 3a. ed., Longman, Londres, Inglaterra, 1962. 9. Zubrick, J.W., Techniques and Experiments for Organic Chemistry, Survival Manual, John Wiley and Sons, 1984. 10. Zubrick, J.W., The Organic Chemistry Laboratory, John Wiley and Sons, EU, 1988. 33
Practica # 1 Técnicas Experimentales 34
Practica # 2 El Petróleo y sus Derivados PRACTICA # 2: EL PETRÓLEO Y SUS DERIVADOS OBJETIVO  Que el alumno entre en contacto con el petróleo crudo, sus orígenes, sus principales componentes, los métodos usados para sus preparaciones y su aprovechamiento.  Conocer los procesos de destilación simple y fraccionada, sus características y factores que en ellas intervienen.  Aplicar la técnica de destilación simple y fraccionada en la separación de los componentes de un crudo.  Aplicar la técnica de destilación a presión reducida en la purificación de líquidos. INTRODUCCIÓN. El petróleo crudo, al igual que el gas natural, se extrae del subsuelo, su origen es igual que el gas. El petróleo natural no presenta utilidad comercial así como se encuentra, y por ello es necesario someterlo a un proceso de refinación para obtener una gran cantidad de compuestos útiles para la industria química. La refinación del petróleo se hace por medio de una destilación. La refinación del petróleo consiste en calentarlo progresivamente para que los hidrocarburos comiencen a evaporarse y a separarse de los demás componentes. Industrialmente la refinación del petróleo se realiza en una columna de fraccionamiento en la cual se separan las distintas fracciones de hidrocarburos. Las fracciones más volátiles o ligeras están constituidas por los compuestos gaseosos y líquidos ligeros; estas fracciones salen de la columna por la parte superior. Las fracciones más pequeñas se destilan por la parte inferior de la columna. Este proceso se conoce como destilación primaria y es el primer paso de la refinación del petróleo. “Para nosotros el petróleo es esencial y sin el nos quedaríamos inútiles a menos de que hubiera un nuevo y abundante combustible.” El petróleo es esencialmente una mezcla de hidrocarburos que resultan de la descomposición de materias orgánicas de origen animal y vegetal. Los derivados del petróleo pueden tener varias propiedades, algunas iguales y otras diferentes. Por 35
Practica # 2 El Petróleo y sus Derivados ejemplo, algunos derivados reaccionan al calor muy fácilmente, mientras que otros se necesita de mucho calor para llegar a su combustión. El derivado que más conocemos es el plástico y que lo usamos en un gran porcentaje de las cosas y útiles que necesitamos en la vida diaria. Las reservas de petróleo que quedan están por agotarse, si se siguen usando tan desmesuradamente. Y nos quedaríamos sin el principal combustible de nuestra era. Pero ahora ya se piensa en usar un nuevo combustible para ahorrar el petróleo y además, causa menos contaminación. La forma de obtener el petróleo es la destilación fraccionada de la cual se sacan todos sus derivados y por supuesto los hidrocarburos, alcanos, alquenos y alquinos. Usualmente, un yacimiento contiene: una capa gaseosa conocida como gas natural, una capa de hidrocarburos líquidos que es petróleo y otra de agua salada. La presencia de agua salada indica que la materia orgánica que dio lugar a la formación del petróleo fue primeramente depositada en el fondo de los mares. Debido a que el interés económico de las diferentes fracciones obtenidas es variable, se desarrollaron procesos para incrementar la producción de las fracciones de mayor consumo tales como gasolina y keroseno. El cracking es un proceso durante el cual los hidrocarburos de peso molecular alto son transformados en compuestos más pequeños como hidrógeno, el etileno y los componentes de las gasolinas. Actualmente, esta operación se realiza con mayor eficiencia en presencia de catalizadores para evitar temperaturas elevadas. TEORIA Destilación simple La destilación es un proceso que consiste en la evaporación de un líquido, condensación del vapor y colección del condensado. Cuando una sustancia líquida se contamina con pequeñas cantidades de impurezas, éstas pueden eliminarse por algún método de destilación, Se dice entonces que se efectúa una purificación. Cuando dos o más sustancias líquidas se encuentran formando mezclas en proporción relativamente parecida, se dice que la destilación puede usarse para la separación de componentes. 36
Practica # 2 El Petróleo y sus Derivados En cada caso, deberá elegirse la técnica de destilación más acorde con las características de la muestra. Existen cuatro métodos de destilación: destilación simple, destilación fraccionada, destilación a presión reducida y destilación por arrastre con vapor. La relación entre la presión y la temperatura de ebullición de un líquido está determinada por su comportamiento presión de vapor-temperatura. Si un líquido contiene una impureza volátil, la separación de ambos se realiza generalmente por destilación. Cualquier par de sustancias que no tenga presiones de vapor idénticas se pueden separar por destilación. Como regla general, se puede indicar que una mezcla de dos componentes con una diferencia de por lo menos 80 °C puede separarse por una destilación sencilla. Sustancias cuyos puntos de ebullición difieren por menos de 80 °C se separan por destilación fraccionada. La destilación simple se utiliza para la purificación de compuestos orgánicos líquidos. Las mezclas, cuyos componentes no presentan grandes diferencias en sus puntos de ebullición, se separan por destilación fraccionada; esta técnica se utiliza continuamente en la industria y laboratorios. Destilación fraccionada La destilación fraccionada debe emplearse para separar y purificar mezclas de sustancias de puntos de ebullición cercanos. Actualmente se dispone de equipos de destilación fraccionada muy eficaces para lograrlo. Si una mezcla formada por benceno (p. eb.: 80 °C) – tolueno (p. eb.: 110 °C) cuyos componentes difieren 30 °C en sus puntos de ebullición, se separan por 37
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Manual de laboratorio de qumica orgnica 2006

  • 1. UNIVERSIDAD DE CARABOBO Facultad Experimental de Ciencias y Tecnología Departamento de Química Guía de Laboratorio de Química Orgánica Elaborado por: Prof. Douglas J Escalante Ayala Valencia, Noviembre del 2006
  • 2. ii
  • 3. INDICE INDICE PRACTICA # 1: TECNICAS EXPERIMETALES ....................................................................................... 1 PUNTO DE FUSIÓN SIMPLE Y MIXTO ..................................................................................................... 1 ANTECEDENTES .............................................................................................................................................. 1 TEORIA ......................................................................................................................................................... 1 Punto de fusión .......................................................................................................................................... 1 Punto de fusión de compuesto impuros; diagrama de presión de vapor-temperatura .............................. 2 Punto de fusión de mezcla de compuestos ................................................................................................. 3 Punto de fusión de compuestos desconocidos ........................................................................................... 4 Métodos, aparatos y equipos para determinar el punto de fusión ............................................................ 4 CUESTIONARIO ............................................................................................................................................... 4 SOLUBILIDAD EN DISOLVENTES ORGÁNICOS Y CRISTALIZACIÓN SIMPLE ........................... 6 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................... 6 TEORIA ............................................................................................................................................................ 6 Solubilidad ................................................................................................................................................ 6 TEORÍA DE LA CRISTALIZACIÓN ...................................................................................................................... 8 SELECCIÓN DE DISOLVENTE ............................................................................................................................ 9 TÉCNICA DE CRISTALIZACIÓN ....................................................................................................................... 10 CRISTALIZACIÓN........................................................................................................................................... 13 CUESTIONARIO ............................................................................................................................................. 14 PUNTO DE EBULLICIÓN, DESTILACIÓN SIMPLE Y FRACCIONADA ........................................... 16 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................. 16 TEORIA ......................................................................................................................................................... 16 Punto de ebullición, relación estructura-punto de ebullición ................................................................. 16 Destilación simple ................................................................................................................................... 17 Destilación fraccionada .......................................................................................................................... 18 Diagrama de fase .................................................................................................................................... 19 Eficiencia de la columna ......................................................................................................................... 20 CUESTIONARIO ............................................................................................................................................. 21 EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES ORGÁNICOS Y DISOLVENTES ACTIVOS .......................... 23 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................ 23 TEORIA ......................................................................................................................................................... 23 Extracción con disolventes orgánicos ..................................................................................................... 23 iii
  • 4. INDICE El embudo de separación ........................................................................................................................ 24 Emulsiones............................................................................................................................................... 26 Agente desecante químico ....................................................................................................................... 26 Extracción selectiva con disolventes activos ........................................................................................... 28 CUESTIONARIO .............................................................................................................................................. 29 SEPARACIÓN Y PURIFICACIÓN DE UNA MEZCLA DE TRES COMPONENTES ......................... 31 OBJETIVOS .................................................................................................................................................... 31 PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................................................. 31 MATERIAL .............................................................................................................................................. 31 SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 31 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 31 Tratamiento de residuos .......................................................................................................................... 32 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................................... 32 PRACTICA # 2: EL PETRÓLEO Y SUS DERIVADOS ............................................................................ 35 OBJETIVO................................................................................................................................................... 35 INTRODUCCIÓN. ...................................................................................................................................... 35 TEORIA ....................................................................................................................................................... 36 Destilación simple ................................................................................................................................... 36 Destilación fraccionada .......................................................................................................................... 37 Destilación a presión reducida ................................................................................................................ 39 MATERIAL ................................................................................................................................................. 40 SUSTANCIAS ............................................................................................................................................. 40 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 40 CUESTIONARIO ........................................................................................................................................ 41 PRACTICA # 3: CROMATOGRAFÍA DE CAPA FINA Y CROMATOGRAFIA DE COLUMNA ..... 43 OBJETIVO ...................................................................................................................................................... 43 ANTECEDENTES ....................................................................................................................................... 43 TEORIA ....................................................................................................................................................... 43 Separación sólido-líquido........................................................................................................................ 44 Secuencia de elución por compuesto ....................................................................................................... 45 Parámetros que afectan la separación .................................................................................................... 46 Cromatografía en capa fina .................................................................................................................... 46 Revelador................................................................................................................................................. 47 Frente de referencia (Rf) ......................................................................................................................... 48 MATERIALES ................................................................................................................................................. 49 MATERIALES ADICIONALES ........................................................................................................................... 49 iv
  • 5. INDICE SUSTANCIAS ................................................................................................................................................. 49 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................................................... 50 Preparación de las placas ....................................................................................................................... 50 Preparación de las cámaras de desarrollo ............................................................................................. 51 Obtención de los valores de Rf a las muestras patrón ............................................................................ 52 Identificación de los compuestos presentes en la muestra problema ...................................................... 52 Extracción de los colorantes del tomate ................................................................................................. 52 CUESTIONARIO ........................................................................................................................................ 53 SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA MEDIANTE CROMATOGRAFÍA DE COLUMNA .................... 54 OBJETIVO ...................................................................................................................................................... 54 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................ 54 TEORÍA ......................................................................................................................................................... 54 PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................................................................. 56 Materiales por equipo de 2 alumnos ....................................................................................................... 56 Sustancias................................................................................................................................................ 56 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................................................... 56 Determinación de las condiciones de separación de los componentes del extracto de los colorantes del tomate. ..................................................................................................................................................... 56 Empaquetamiento de la columna ............................................................................................................ 56 Carga de la muestra ................................................................................................................................ 58 Elución de la columna ............................................................................................................................. 58 Comparación de la separación realizada, mediante cromatografía en capa fina .................................. 59 CUESTIONARIO ........................................................................................................................................ 61 PRÁCTICA # 4: SINTESIS DEL CICLOHEXENO ................................................................................... 63 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 63 ANTECEDENTES....................................................................................................................................... 63 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIMETRIA .................................................................................... 63 MECANISMO ............................................................................................................................................. 63 PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................................................. 64 MATERIAL .............................................................................................................................................. 64 SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 65 INFORMACIÓN ...................................................................................................................................... 65 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 65 Método A. Por destilación fraccionada................................................................................................... 65 Método B. Por reflujo directo. ................................................................................................................ 67 PRUEBAS DE INSATURACIÓN. ............................................................................................................ 68 v
  • 6. INDICE REACCIÓN CON BR2/CCL4. ............................................................................................................................ 68 REACCIÓN CON KMNO4. ............................................................................................................................... 68 NOTAS ..................................................................................................................................................... 68 DIAGRAMA ECOLOGICO ................................................................................................................................. 69 CUESTIONARIO ........................................................................................................................................ 70 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................................... 70 ESPECTROS DE I.R. ........................................................................................................................................ 71 PRÁCTICA # 5A: OBTENCION DE ACIDO BENZOICO Y ALCOHOL BENZILICO ...................... 73 OBJETIVOS .................................................................................................................................................... 73 REACCIÓN ..................................................................................................................................................... 73 MECANISMO ................................................................................................................................................. 73 PARTE EXPERIMENTAL............................................................................................................................ 74 MATERIAL ................................................................................................................................................. 74 SUSTANCIAS ............................................................................................................................................. 75 PROCEDIMIENTO........................................................................................................................................ 75 ESPECTROS DE I.R. ........................................................................................................................................ 76 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................. 76 PRÁCTICA # 5B: OBTENCIÓN DE ACIDO BENZOICO A PARTIR DE ACETOFENONA ............. 77 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 77 ANTECEDENTES ....................................................................................................................................... 77 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIMETRIA .................................................................................... 77 MECANISMO ............................................................................................................................................. 78 PARTE EXPERIMENTAL .......................................................................................................................... 81 MATERIAL .............................................................................................................................................. 81 SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 81 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 81 DIAGRAMA ECOLÓGICO ........................................................................................................................ 82 CUESTIONARIO .............................................................................................................................................. 83 ESPECTROS DE I.R. ........................................................................................................................................ 83 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................................... 84 PRÁCTICA # 6: SISTESIS DEL BENZOATO DE METILO ................................................................... 85 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 85 Objetivo general: ..................................................................................................................................... 85 vi
  • 7. INDICE Objetivos Específicos: ............................................................................................................................. 85 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................. 85 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIMETRIA................................................................................................ 86 MECANISMO .................................................................................................................................................. 86 PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................................................. 88 MATERIAL .............................................................................................................................................. 88 SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 88 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 88 PRECAUCIONES ESPECIALES. ...................................................................................................................... 89 DIAGRAMA ECOLÓGICO ................................................................................................................................ 91 CUESTIONARIO ............................................................................................................................................. 92 ESPECTROS DE I.R. ....................................................................................................................................... 92 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................................... 94 PRÁCTICA # 7: OBTENCIÓN DE UNA ESENCIA NATURAL ............................................................. 95 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 95 Objetivo general:..................................................................................................................................... 95 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................. 95 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................. 95 PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................................................. 96 MATERIAL .............................................................................................................................................. 96 SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 97 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 97 Aceites de clavo o de la pimienta inglesa ................................................................................................ 97 Preparación de un derivado .................................................................................................................... 98 Aceite de cinamomo ................................................................................................................................ 98 Preparación del derivado ........................................................................................................................ 99 PRÁCTICA # 8A: REACCION DE GRIGNARD. SINTESIS DEL ACIDO VALERICO O SINTESIS DEL 4-METIL-3-HEPTANOL...................................................................................................................... 81 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 81 ANTECEDENTES....................................................................................................................................... 81 REACCIONES A EFECTUAR Y ESTEQUIMETRIA ........................................................................................... 81 Síntesis de ácido valerico ........................................................................................................................ 81 Sintesis del 4-metil-3-heptanol ................................................................................................................ 82 MECANISMO .................................................................................................................................................. 82 PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................................................. 82 MATERIAL .............................................................................................................................................. 82 vii
  • 8. INDICE SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 83 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 83 Acido Valerico ......................................................................................................................................... 83 4-metil-3-heptanol ................................................................................................................................... 84 PRÁCTICA # 8B: REACCION DE GRIGNARD PREPARACION DE TRIFENIL CARBINOL ........ 82 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 82 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................. 82 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIMETRIA ................................................................................................ 82 MECANISMO .................................................................................................................................................. 83 FORMACIÓN DE BROMURO DE FENIL MAGNESIO: ........................................................................................... 83 FORMACIÓN DEL TRIFENIL CARBINOL ........................................................................................................... 85 PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................................................. 87 MATERIAL .............................................................................................................................................. 87 SUSTANCIAS .......................................................................................................................................... 87 PROCEDIMIENTO ..................................................................................................................................... 87 Bromobenceno ......................................................................................................................................... 88 Bromuro de fenil magnesio...................................................................................................................... 89 Adición de benzofenona ........................................................................................................................... 90 Adición de benzoato de etilo .................................................................................................................... 90 DIAGRAMA ECOLÓGICO .......................................................................................................................... 91 REACCIÓN DE GRIGNARD .............................................................................................................................. 91 OBTENCIÓN DE TRIFENIL CARBINOL .............................................................................................................. 91 REACCIÓN DE GRIGNARD .............................................................................................................................. 92 OBTENCIÓN DE TRIFENIL CARBINOL .............................................................................................................. 92 CUESTIONARIO ........................................................................................................................................... 93 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................. 93 PRÁCTICA # 9: CONDENSACION DE CLAISEN-SCHMIDT. SÍNTESIS DE DIBENZALACETONA .......................................................................................................................................................................... 95 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 95 ANTECEDENTES ............................................................................................................................................. 95 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIOMETRIA ............................................................................................. 95 MECANISMO DE LA REACCIÓN ....................................................................................................................... 96 PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................................................................ 100 MATERIAL ............................................................................................................................................ 100 SUSTANCIAS ........................................................................................................................................ 100 viii
  • 9. INDICE PROCEDIMIENTO ................................................................................................................................... 100 Datos para la cromatografía en capa fina (c.c.f) .................................................................................. 100 CUESTIONARIO ...................................................................................................................................... 101 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................ 101 DIAGRAMA ECOLÓGICO ............................................................................................................................... 102 ESPECTROS DE I.R. ..................................................................................................................................... 103 PRÁCTICA # 10: SALES DE DIAZONIO. OBTENCIÓN DEL ACIDO SULFANÍLICO, NARANJA DE METILO Y NARANJA II ..................................................................................................................... 105 OBJETIVOS .............................................................................................................................................. 105 ANTECEDENTES..................................................................................................................................... 105 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIOMETRIA ............................................................................... 106 MECANISMO DE LA REACCIÓN .......................................................................................................... 108 Acido sulfanílico.................................................................................................................................... 108 Sal de diazonio ...................................................................................................................................... 110 PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................................................................ 112 MATERIAL ............................................................................................................................................ 112 SUSTANCIAS ........................................................................................................................................ 113 PROCEDIMIENTO ................................................................................................................................... 113 Acido sulfanílico.................................................................................................................................... 113 Anaranjado de metilo ............................................................................................................................ 113 Naranja II .............................................................................................................................................. 114 DIAGRAMA ECOLÓGICO .............................................................................................................................. 115 Preparación del ácido sulfanílico ......................................................................................................... 115 Obtención de anaranjado de metilo ...................................................................................................... 116 Obtención de naranja II ........................................................................................................................ 117 CUESTIONARIO ...................................................................................................................................... 118 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................ 119 ESPECTROS DE I.R. ..................................................................................................................................... 120 PRÁCTICA # 11: SINTESIS DE CICLOHEXANONA POR OXIDACION DE CICLOHEXANOL CON HIPOCLORITO DE SODIO ............................................................................................................. 121 OBJETIVOS .............................................................................................................................................. 121 ANTECEDENTES ........................................................................................................................................... 121 REACCIÓN A EFECTUAR Y ESTEQUIOMETRIA ........................................................................................... 121 MECANISMO DE LA REACCIÓN ..................................................................................................................... 122 PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................................................................ 123 MATERIAL ............................................................................................................................................ 123 ix
  • 10. INDICE SUSTANCIAS ........................................................................................................................................ 123 PROCEDIMIENTO ................................................................................................................................... 123 Pruebas de identificación ...................................................................................................................... 124 DIAGRAMA ECOLÓGICO .............................................................................................................................. 125 CUESTIONARIO ...................................................................................................................................... 126 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................. 127 ESPECTROS DE I.R. ...................................................................................................................................... 127 PRACTICA 12: SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA: NITRACIÓN DE LA ANILINA ........................................................................................................................................................................ 129 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................... 129 REACTIVOS ................................................................................................................................................. 130 1. PREPARACIÓN DE LA ACETANILIDA (2).................................................................................................... 130 2. PREPARACIÓN DE LA P-NITROACETANILIDA (3) ....................................................................................... 130 3. DESPROTECCIÓN DEL GRUPO NH2: PREPARACIÓN DE P-NITROANILINA (4) .......................... 130 PROCEDIMIENTO ......................................................................................................................................... 130 1. Preparación de la acetanilida (2) ..................................................................................................... 130 2.Preparación de la p-nitroacetanilida (3) ........................................................................................... 131 3. Desprotección del grupo NH2: Preparación de p-nitroanilina (4) .................................................... 131 CUESTIONES ................................................................................................................................................ 131 ESPECTROS DE I.R. ...................................................................................................................................... 132 x
  • 11. Practica # 1 Técnicas Experimentales PRACTICA # 1: TECNICAS EXPERIMETALES PUNTO DE FUSIÓN SIMPLE Y MIXTO ANTECEDENTES  Punto de fusión como constante física.  Factores estructurales que determinan la fusión de un sólido.  Factores experimentales que determinan la fusión de un sólido.  Influencia de las impurezas en el punto de fusión.  Métodos, aparatos y equipos para determinar el punto de fusión.  Mezclas eutécticas.  Punto de fusión mixto. TEORIA Punto de fusión El punto de fusión de un sólido cristalino es la temperatura a la cual, la fase sólida y líquida se encuentra en equilibrio bajo la presión de una atmósfera. Cuando una pequeña cantidad de una sustancia sólida se calienta lentamente, se lee la temperatura a la cual se observa la primera gota de líquido en la muestra sólida, ésta es la temperatura mínima del intervalo de fusión de dicha sustancia. La temperatura a la que, la muestra finalmente resulta líquida, es la temperatura máxima del intervalo de fusión. Para sustancias puras, el intervalo entre esos dos puntos es muy corto (máximo 1 grado), un intervalo mayor indica que el producto está impuro. El punto de fusión es una propiedad física característica de cada sustancia; es una constante muy sensible a la presencia de impurezas, entre más pura sea una sustancia mayor será su punto de fusión y menor será el intervalo de fusión. Un compuesto orgánico impuro presenta no solo un amplio intervalo de fusión sino que su punto de fusión se abate en fusión de la cantidad de impurezas presentes. Por esta razón el punto de fusión es un índice de pureza usado para un compuesto orgánico sólido. 1
  • 12. Practica # 1 Técnicas Experimentales Punto de fusión de compuesto impuros; diagrama de presión de vapor-temperatura La razón por la que el punto de fusión de una sustancia pura y cristalina es constante e instantáneo puede verse mediante el diagrama presión de vapor-temperatura. En la figura podemos observar que la curva AB corresponde a la presión de vapor, determinada experimentalmente, de un sólido X puro a las temperaturas comprendidas entre TA a TB; BC muestra la presión de vapor del líquido puro X a las temperaturas comprendidas entre TA a TC. A la temperatura TB, las presiones de vapor de las fases sólidas y líquidas de la sustancia pura X son iguales a PB; o lo que es lo mismo, las curvas de presión de vapor para la fase sólida y líquida se cortan en el punto B. La temperatura TB es por lo tanto el punto de fusión de X, es decir la temperatura en la que la fase sólida y líquida de X existe en equilibrio, una en presencia de la otra a la presión de una atmósfera. Se debe evaluar el efecto que una pequeña cantidad de una impureza Y (que es soluble en el líquido X) ejerce sobre el punto de fusión de un producto. En el preciso momento en que el último cristal de X ha fundido, toda la impureza Y se habrá disuelto en X. El punto de fusión sigue siendo la temperatura a la cual el líquido y el sólido de X existen en equilibrio a la presión de 1 atmósfera; la presión de vapor que hay que considerar aquí no es la total de la solución líquida (debido a X y Y), sino solamente la presión de vapor parcial debida al líquido X. Como la presencia de esta impureza disuelta disminuirá la presión de vapor debida al líquido X en el intervalo total de temperaturas de la solución líquida (curva B1C1), está claro que la presión de vapor del sólido X será igual a la debida al líquido X en la solución a la temperatura TB1, que es más baja que la del punto de fusión TB de la sustancia pura. 2
  • 13. Practica # 1 Técnicas Experimentales En otras palabras. En presencia de esta cantidad de impurezas Y, la temperatura a la que funden las últimas trazas de X disminuye hasta TB1, y el efecto de la impureza Y es precisamente bajar el punto de fusión de X, lo mismo que cuando al hielo se le agrega sal o alcohol, se baja su punto de fusión por debajo de los 0 °C. Punto de fusión de mezcla de compuestos El diagrama que muestra el comportamiento de una mezcla de dos componentes en fusión (A + B), lo podemos observar a continuación. Este diagrama se construye determinando los puntos de fusión de mezclas preparadas a diferentes proporciones de un producto B en un producto A. Esta gráfica al mismo tiempo indica que el punto de congelación (paso de líquido a sólido), de un producto puro se bate por la presencia de una impureza. Si la sustancia A pura tiene menor punto de fusión que B pura, se observa que el punto de fusión disminuye hasta un punto mínimo llamado punto eutéctico, en el cual, además, el intervalo de fusión se hace mínimo, pudiéndose pensar que fuera pura, bajo ese criterio. No todas las mezclas binarias tienen un punto eutéctico y en cambio otras mezclas tienen varios puntos eutécticos. Cuando una mezcla de 80% de A y 20% de B (en moles), se calienta, antes de hacerse miscible la primera gota de líquido la mezcla se reblandece debido a que B se empieza a disolver en el producto A fundido, cuando se alcanza la máxima solubilidad de 3
  • 14. Practica # 1 Técnicas Experimentales B en A, se observa la primera gota, punto inicial de la fusión; luego más cantidad de B funde hasta que todo es un líquido, máxima temperatura del punto de fusión. El punto mínimo de fusión de cualquier mezcla siempre será el punto eutéctico (Tc), sin embargo no siempre es fácil de observar esta temperatura y la aparición de la primera gota generalmente ocurre arriba de Tc. Punto de fusión de compuestos desconocidos En la identificación de un compuesto desconocido es sumamente útil recurrir a la determinación de un punto de fusión mixto. Se prepara una mezcla (1:1) del compuesto desconocido y el compuesto puro que se supone es idéntico (compuesto de referencia), los cuales tienen un punto de fusión muy similar o igual. A continuación se determinan los puntos de fusión del compuesto desconocido, del compuesto de referencia y de la mezcla de ambos, al mismo tiempo y en el mismo aparato. Si los tres se funden simultáneamente, el compuesto desconocido y el de referencia son idénticos. Si la mezcla tiene el punto de fusión más bajo, los dos compuestos son diferentes. Métodos, aparatos y equipos para determinar el punto de fusión Existen varios tipos de aparatos para determinar el punto de fusión. Uno de stos aparatos utiliza un tubo de Thiele y tubos capilares de vidrio para contener la muestra, los cuales se colocan en un baño de calentamiento. Otros aparatos cuentan con planchas de calentamiento en la que se coloca la muestra entre dos cubreobjetos, ambos aparatos cuentan con un termómetro y en algunos casos con un reóstato que regula la velocidad de calentamiento. Los termómetros para la realización del punto de fusión deben ser calibrados, mediante la determinación del punto de fusión de cinco o seis compuestos puros que abarquen un amplio rango de temperatura del termómetro. CUESTIONARIO 1. Explique si mezclas de sustancias diferentes, pero con punto de fusión igual, funden a temperatura igual o diferente a las de as sustancias originales. 2. Explique por qué una sustancia impura presenta un abatimiento en su punto de fusión. 3. ¿Cuáles son los parámetros que influyen en el valor del punto de fusión? 4. Si tiene los siguientes isómeros; explique la diferencia en los puntos de fusión de éstos. 4
  • 15. Practica # 1 Técnicas Experimentales O H H H C OH C C C C HO C C OH HO C H O O O Acido maléico Acido fumárico p.f. 140-142 °C p.f. 299-300 °C (sublima) 5. ¿Qué parámetro experimental deben controlarse en la determinación del punto de fusión por el método de Thiele? 5
  • 16. Practica # 1 Técnicas Experimentales SOLUBILIDAD EN DISOLVENTES ORGÁNICOS Y CRISTALIZACIÓN SIMPLE ANTECEDENTES  Solubilidad.  Disolventes utilizados en cristalización. Sus propiedades y características.  Pruebas de solubilidad. Factores que determinan la solubilidad.  Elección de un disolvente para una cristalización.  Factores que influyen en la cristalización.  Formas de inducir la cristalización.  Diversas técnicas de filtración.  Etapas del proceso de cristalización como método de purificación de sólidos. TEORIA Solubilidad Por lo general, los compuestos orgánicos sólidos se pueden purificar por cristalización. La técnica general incluye la disolución del sólido que va a ser cristalizado, en un disolvente o mezcla de disolvente calientes a punto de ebullición y, posteriormente, al enfriar la solución, cristaliza o precipita como sólido amorfo. A este fenómeno se le llama cristalización si el crecimiento del cristal es relativamente lento y selectivo o también se le conoce como precipitación si el proceso es muy rápido y no selectivo. La cristalización es un proceso de equilibrio de las moléculas en una red cristalina con las moléculas en solución, y de este proceso resulta un sólido puro. Inicialmente se forma un pequeño núcleo cristalino y a partir de él van creciendo las capas cristalinas en un proceso reversible y selectivo. Las moléculas no adecuadas a la red cristalina, posiblemente regresen a la solución y las moléculas adecuadas son retenidas en ella. En cualquier cristalización, un enfriamiento de la solución demasiado rápido o demasiado lento debe evitarse. Se debe evitar enfriar muy rápido, así como añadir rápidamente un disolvente en el cual no es soluble el producto, ambos son errores que conducen a una mala purificación. 6
  • 17. Practica # 1 Técnicas Experimentales La cristalización está fundamentada en las relaciones de solubilidad soluto— disolvente, por lo tanto, el sólido debe presentar un comportamiento de solubilidad adecuado. La solubilidad de los compuestos orgánicos es una función de las polaridades del disolvente y en soluto. Cuando se disuelve un sólido o un líquido, las unidades estructurales (iones o moléculas) se separan y el espacio entre ellas es ocupado por moléculas de disolvente. Para que exista la disolución, debe suministrarse energía para vencer las fuerzas intermoleculares o interiónicas; esta energía proviene de las interacciones electrostáticas soluto—disolvente. En moléculas polares, estas interacciones electrostáticas son dipolo—dipolo, puente de hidrógeno (fenómenos de solvatación), mientras que en moléculas no polares las interacciones son del tipo de las fuerzas de van der Waals. Existe una regla empírica qu establece “lo semejante disuelve a lo semejante”. Si el soluto es muy polar, lo disolverá un disolvente muy polar; si es no polar, un disolvente no polar lo disolverá. Los compuestos que tienen grupos funcionales capaces de formar puentes de hidrógeno (por ejemplo, -OH, -NH2, -COOH, -CONH2) son: Estos compuestos son más solubles en disolventes hidroxílicos como el agua o metanol que en hidrocarburos como benceno o hexano. Si el grupo funcional no predomina en la molécula, la solubilidad cambia. Por ejemplo, el alcohol dodecilico, CH3-(CH2)10- CH2-OH, es insoluble en agua, su cadena de doce átomos de carbono causa que sea más parecido a un hidrocarburo que a un alcohol. Otra molécula interesante es el p-terbutil 7
  • 18. Practica # 1 Técnicas Experimentales fenol, la cual por la presencia del grupo –OH es soluble en agua pero también es soluble en hexano por la parte alquilarílica de la molécula. La estructura de la red cristalina también afecta la solubilidad. Por ejemplo, entre isómeros, aquel de punto de fusión mayor, presentara menor solubilidad que los otros con respecto a determinado disolvente. TEORÍA DE LA CRISTALIZACIÓN La cristalización de un sólido depende de la diferencia de solubilidad de éste en un disolvente a temperatura ambiente y a temperatura de ebullición. También es importante considerar la solubilidad de las impurezas, cuando la solubilidad de ellas es igual en el disolvente frió como en el disolvente caliente, no se logra purificar el sólido por cristalización. Un sólido puede ser purificado por cristalización cuando la solubilidad del sólido y las impurezas son diferentes y las impurezas representan una pequeña proporción con relación al peso total del sólido; al enfriar la solución el sólido cristaliza y las impurezas no. Lo anterior se puede entender con el siguiente diagrama 1 que considera un sólido “A” y su impureza “B”. A la solución remanente después de la cristalización se le llama líquido madre. 8
  • 19. Practica # 1 Técnicas Experimentales SELECCIÓN DE DISOLVENTE La selección del disolvente para cristalización se realiza mediante pruebas de solubilidad del sólido por purificar con una variedad de disolventes. El sólido debe reunir ciertas condiciones de solubilidad con respecto al disolvente. El sólido debe ser ligeramente soluble o insoluble a temperatura ambiente y totalmente soluble a la temperatura de ebullición del disolvente; el disolvente que reúna estas características será el “ideal” para cristalizar el sólido. La gráfica de solubilidad ante la temperatura nos muestra el comportamiento de un disolvente ideal respecto a otros disolventes. A: disolvente ideal en el que el sólido es poco soluble a temperatura ambiente y muy soluble a ebullición. 9
  • 20. Practica # 1 Técnicas Experimentales B: disolvente en el que el sólido es poco soluble. C: disolvente en el que el sólido es muy soluble. Al realizar las pruebas de solubilidad es importante tener la relación correcta sólido/disolvente, por esta razón se utiliza 0.1 g de sólido por 3 mL de disolvente. Otras características que debe reunir el disolvente ideal son las siguientes: No debe reaccionar con el sólido. Tener punto de ebullición inferior al punto de fusión del sólido por purificar; debe evitarse utilizar disolventes de punto de ebullición más alto que el punto de fusión del sólido por cristalizar, para evitar que éste se funda en vez de disolverse. Debe presentar volatilidad moderada (bajo p. eb.) para eliminar con cierta facilidad de los cristales. Experimentalmente, las pruebas se realizan en una serie de tubos de ensayos limpios y secos, en donde se coloca la cantidad de sólido y el disolvente en la relación adecuada. Las pruebas de solubilidad se realizan con diferentes disolventes para obtener una información completa acerca de la solubilidad del sólido. Si el compuesto es conocido, se investiga su solubilidad en libros de constantes físicas para elegir el disolvente adecuado para la purificación. TÉCNICA DE CRISTALIZACIÓN Disolución de sólidos. La disolución de sólidos se realiza de preferencia en matraces Erlenmeyer en lugar de vasos o cualquier otro recipiente, con el objeto de proteger la solución del polvo y evitar una evaporación excesiva de disolvente. El sólido se pulveriza antes de disolverlo; la pérdida de sólido es el líquido madre se evita con la saturación adecuada de la solución, la cual al enfriar, transformará con alto rendimiento el sólido en cristales. Antes de iniciar el calentamiento de un disolvente es necesario agregar un pequeño fragmento de material poroso (carborundum, tezontle, plato poroso, etc.) para evitar el sobrecalentamiento del mismo. El disolvente se calienta a punto d ebullición, se agrega la cantidad necesaria al sólido para disolverlo y la mezcla se calienta nuevamente hasta ebullición. Si el sólido no se ha disuelto, se adiciona otro pequeño volumen de disolvente caliente y nuevamente se lleva a ebullición hasta lograr la disolución total del sólido en la mínima cantidad del disolvente. 10
  • 21. Practica # 1 Técnicas Experimentales Filtración. Es común que el sólido impuro presente partículas de impurezas insolubles, polvo, fibras de papel y restos de otros materiales; las cuales se pueden pretender disolver sin lograrlo y aumentar sin necesidad, el volumen del disolvente usado. Para eliminar estas impurezas, se utiliza la filtración por gravedad en caliente en el embudo de vidrio de tallo corto. Es conveniente antes de filtrar, precalentar el embudo y el matraz donde se va a recibir el filtrado, para evitar la cristalización del sólido en el tallo del embudo. El papel filtro debe utilizarse estriado o en forma de cono para aumentar la velocidad de filtración. La solución caliente se filtra por gravedad para eliminar las impurezas insolubles y restos de carbón activado. Si los cristales empiezan a formarse en el filtro durante la filtración por gravedad, se adiciona una cantidad mínima de disolvente caliente para disolverlos. 11
  • 22. Practica # 1 Técnicas Experimentales 12
  • 23. Practica # 1 Técnicas Experimentales CRISTALIZACIÓN La solución filtrada se deja reposar a temperatura ambiente durante 5 minutos y posteriormente se enfría en un baño de hielo. Si al enfriar la solución no cristaliza, debe inducirse la cristalización empleando diferentes técnicas: a) Siembra de la solución con cristales puros de la misma sustancia que se está purificando y que sirven como núcleos de cristalización. b) Raspar las paredes del matraz con una varilla o espátula. Este movimiento debe ser vertical y firme para producir vibraciones de alta frecuencia que induzcan la cristalización. También es probable que la inducción de la cristalización se deba a la introducción de pequeños cristales formados por evaporación del disolvente en las paredes del matraz y que sirve como núcleo de cristalización. c) Si no se logra la cristalización utilizando los incisos a y b, puede deberse al exceso de disolvente; si es el caso, es necesario evaporar un poco y volver a enfriar, repitiendo lo indicado en los incisos. Separación de cristales. La filtración a vacío se utiliza para separar los cristales del líquido madre. El material necesario para esta operación es el siguiente: embudo Büchner, adaptador de hule, matraz Kitasato, tubo de hule para vacío, pinzas, soporte y papel filtro circular a la medida para que cubra los orificios del embudo Büchner. 13
  • 24. Practica # 1 Técnicas Experimentales CUESTIONARIO 1. ¿Qué información se obtiene de un sólido al que se le realizan pruebas de solubilidad con disolventes orgánicos de polaridad conocida? 2. Un sólido que es soluble en frió, ¿podrá recristalizarse del disolvente en que se encuentra? Fundamente su respuesta. 3. Un sólido que es insoluble en caliente, ¿podrá recristalizarse del disolvente en que se encuentra? Fundamente su respuesta. 4. ¿Cuáles son las principales características que debe presentar un sólido para recristalizarlo de su disolvente ideal? 5. En qué parte del proceso de recristalización es eliminada cada una de las impurezas solubles e insolubles? 6. ¿Qué condiciones se deben controlar en el enfriamiento de la solución para tener cristales de máxima pureza? 7. Prediga cuales de los siguientes compuestos son más solubles en benceno, justifique su respuesta: 8. a) Acido oxálico b) etilendiamina c) malonato de etilo 9. De la siguiente lista de compuestos orgánicos (izquierda) y disolventes (derecha), elija el disolvente en el cual cada sólido sea semejante para ser soluble (no necesariamente disolvente ideal). a) a) H2O b) H3C CH2 OH b) H3C CH2 CH2 OH 4 c) éter de petróleo O - + c) H3C CH2 C O Na d) 14
  • 25. Practica # 1 Técnicas Experimentales 10. ¿Qué se hace con los sólidos contenidos en las aguas madres? 11. ¿Cuál es el objetivo de determinar el punto de fusión antes y después de cristalizar un sólido? 12. ¿Por qué razón no se debe desechar por el drenaje, disolventes orgánicos como: hexano, acetato de etilo, acetona, etanol y metanol? 15
  • 26. Practica # 1 Técnicas Experimentales PUNTO DE EBULLICIÓN, DESTILACIÓN SIMPLE Y FRACCIONADA ANTECEDENTES  Relación entre las propiedades físicas y la estructura molecular de los alcanos y los alcoholes.  Propiedades físicas de alcanos y alcoholes.  Presión de vapor. Punto de ebullición.  Destilación simple y fraccionada. Características y diferencias.  Diagrama de composición vapor-líquido.  Concepto de plato teórico y número de platos teóricos en una columna de destilación fraccionada.  Eficiencia de la columna de destilación fraccionada. Factores que intervienen en una destilación.  Ley de Raoult. TEORIA Punto de ebullición, relación estructura-punto de ebullición El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a la presión externa. Para que una sustancia alcance su punto de ebullición, es necesario suministrar la energía necesaria para que pase del estado líquido al estado de vapor. En general, los factores que determinan el punto de ebullición son: el peso molecular, la forma lineal o ramificada de las moléculas, su polaridad y la asociación intermolecular. En el caso de los alcoholes se ha observado que a medida que aumenta el número de carbono, de la cadena lineal, el punto de ebullición también aumenta; sin embargo, éste disminuye al aumentar las ramificaciones moleculares. Entre los hidrocarburos, los factores que determinan puntos de ebullición suelen ser principalmente el peso molecular y la forma, lo que es de esperar de moléculas que se mantienen unidas esencialmente por fuerzas de van der Waals. 16
  • 27. Practica # 1 Técnicas Experimentales Dentro de una familia es de esperar que cuanto más grande sea una molécula y, por lo mismo, su superficie, más intensa son las fuerzas intermoleculares. El punto de ebullición aumenta conforme crece el número de carbonos; el punto de ebullición sube porque las fuerzas intermoleculares se intensifican a medida que aumenta el tamaño molecular. Un isómero ramificado tiene un punto de ebullición más bajo que uno de cadena recta. Al aumentar las ramificaciones en una molécula, la forma de ésta tiende a aproximarse a la de una esfera, con lo que disminuye sus superficie; esto se traduce en un debilitamiento de las fuerzas intermoleculares. Los alcoholes también exhiben un aumento del punto de ebullición, con un número creciente de átomos de carbono y una disminución del mismo, con una mayor ramificación. Sus puntos de ebullición anormalmente elevados se deben a que son líquidos asociados y por lo mismo requieren mayor energía para romper los puentes de hidrógeno que mantienen unidas a las moléculas. Destilación simple La destilación es un proceso que consiste en la evaporación de un líquido, condensación del vapor y colección del condensado. Cuando una sustancia líquida se contamina con pequeñas cantidades de impurezas, éstas pueden eliminarse por algún método de destilación, Se dice entonces que se efectúa una purificación. Cuando dos o más sustancias líquidas se encuentran formando mezclas en proporción relativamente parecida, se dice que la destilación puede usarse para la separación de componentes. 17
  • 28. Practica # 1 Técnicas Experimentales En cada caso, deberá elegirse la técnica de destilación más acorde con las características de la muestra. Existen cuatro métodos de destilación: destilación simple, destilación fraccionada, destilación a presión reducida y destilación por arrastre con vapor. La relación entre la presión y la temperatura de ebullición de un líquido está determinada por su comportamiento presión de vapor-temperatura. Si un líquido contiene una impureza volátil, la separación de ambos se realiza generalmente por destilación. Cualquier par de sustancias que no tenga presiones de vapor idénticas se pueden separar por destilación. Como regla general, se puede indicar que una mezcla de dos componentes con una diferencia de por lo menos 80 °C puede separarse por una destilación sencilla. Sustancias cuyos puntos de ebullición difieren por menos de 80 °C se separan por destilación fraccionada. La destilación simple se utiliza para la purificación de compuestos orgánicos líquidos. Las mezclas, cuyos componentes no presentan grandes diferencias en sus puntos de ebullición, se separan por destilación fraccionada; esta técnica se utiliza continuamente en la industria y laboratorios. Destilación fraccionada La destilación fraccionada debe emplearse para separar y purificar mezclas de sustancias de puntos de ebullición cercanos. Actualmente se dispone de equipos de destilación fraccionada muy eficaces para lograrlo. Si una mezcla formada por benceno (p. eb.: 80 °C) – tolueno (p. eb.: 110 °C) cuyos componentes difieren 30 °C en sus puntos de ebullición, se separan por destilación simple, y al trazar una gráfica de punto de ebullición ante volumen de destilado podemos concluir al observarla, que se trata de una mezcla de dos componentes de punto de ebullición similar, por lo mismo, no se observa una separación definida con este método de destilación. Con base en la gráfica, se observa que no hay constancia en el punto de ebullición porque éste aumenta continuamente. Esta misma mezcla se puede separar eficazmente utilizando la técnica de destilación fraccionada, al emplear una columna de fraccionamiento que proporciona una gran superficie para el intercambio de calor, en las condiciones de equilibrio, entre el vapor ascendente y el condensado descendente. 18
  • 29. Practica # 1 Técnicas Experimentales Al trazar una gráfica de los puntos de ebullición ante volumen de condensado, se observa una buena separación donde hay definición de las fracciones separadas. Diagrama de fase El diagrama de fase para una destilación fraccionada de un sistema ideal de dos componentes (A y B), se utiliza para explicar el funcionamiento de una columna de fraccionamiento. El diagrama relaciona la composición del líquido en ebullición con su vapor como una función de la temperatura. 19
  • 30. Practica # 1 Técnicas Experimentales Diagrama de fase de la destilación fraccionada de un sistema ideal de dos componentes Las líneas horizontales (L1 V1, L2 V2, L3 V3, etc.) representan la evaporación en el ciclo evaporación↔condensación e indica la composición del vapor en equilibrio con el líquido. Por ejemplo, a 63 °C un líquido con una composición de 50% de A (L3 sobre el diagrama) puede producir vapor con la siguiente composición: 80% A (V3 en el diagrama) en el equilibrio. El vapor es más rico en el componente de menor punto de ebullición (A) con relación al líquido original. Las líneas verticales (V1 L2, V2 L3 etc.) representan la condensación en el ciclo evaporación↔condensación. Por ejemplo, el vapor en V3 se condensa para dar un líquido (L4) con la siguiente composición: 80% de A. Este proceso de evaporación↔condensación se presenta a lo largo de la columna de fraccionamiento, como se muestra en la figura. Eficiencia de la columna La eficiencia de la columna se da con relación a los platos teóricos. Una columna puede tener un plato teórico si el primer destilado tiene la composición localizada en L2 (20% A) iniciando con un líquido de composición L1 (5% A) como se observa en el diagrama. Esto corresponde a una destilación simple en el ciclo evaporación condensación. Una columna puede tener dos platos teóricos si el destilado tiene la composición L3 (50% A) partiendo de un líquido de composición L1 (5% A). Proceso de evaporación↔condensación en una columna de fraccionamiento Los dos platos teóricos de la columna efectuarán dos destilaciones simples correspondiendo a las líneas L1V1L2 y L2V2L3 como se observa en el diagrama. 20
  • 31. Practica # 1 Técnicas Experimentales Para separar A de B se necesitan cinco platos teóricos, o sea, se efectuaron a través de ella cinco destilaciones simple. CUESTIONARIO 1. De acuerdo as su formula estructural ordene los siguientes isómeros del pentano y hexano según su punto de ebullición creciente: CH3 CH3 a) H3C C CH3 d) H3C HC HC CH3 CH3 CH3 CH3 b) H3C CH2 CH2 CH2 CH3 e) H3C C CH2 CH3 CH3 c) H3C HC CH2 CH3 f) H3C HC CH2 CH2 CH3 CH3 CH3 2. ¿Qué establece la Ley de Raoult? Conteste en palabras y matemáticamente. 21
  • 32. Practica # 1 Técnicas Experimentales 3. Tabla de presión de vapor para el benceno y tolueno a diferentes temperaturas: Temperatura mm.Hg Temperatura mm.Hg Benceno 30 °C 120 Tolueno 30 °C 37 40 180 40 60 50 270 50 95 60 390 60 140 70 550 70 200 80 760 80 290 90 1010 90 405 100 1340 100 560 111 711 4. ¿Cuál es la fracción molar de cada componente si 39 g de benceno (C6H6) se disuelven en 46 g de tolueno (C7H8)’ 5. Considere a esta mezcla ideal, de acuerdo a la Ley de Raoult. ¿Cuál es la presión de vapor parcial del benceno en esta mezcla a 50 °C? 6. ¿Cuál es la composición del vapor en el punto de ebullición (50 °C)? 7. ¿Qué finalidad tiene conectar el agua a contracorriente en el refrigerante? 8. ¿Qué criterio se sigue para separar diferentes fracciones durante una destilación? Explique. 9. ¿En qué caso se recomienda utilizar la destilación simple y en cuáles la destilación fraccionada?. 22
  • 33. Practica # 1 Técnicas Experimentales EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES ORGÁNICOS Y DISOLVENTES ACTIVOS ANTECEDENTES  Coeficiente de reparto o de distribución.  Métodos de extracción: simple, múltiple y selectiva.  Disolventes orgánicos y activos empleados para la técnica de extracción. Sus características físicas y químicas.  Diseño de diagramas de separación de mezclas: acido, base, neutro.  Reacciones ácido-base ocurridas al extraer compuestos con disolventes activos.  Agentes desecantes. TEORIA Extracción con disolventes orgánicos La extracción es la transferencia de un soluto de un disolvente a otro. El soluto se extrae por un proceso de distribución. Cuando una solución (soluto A en disolvente 1) se agita con un segundo disolvente (disolvente 2) con el cual es inmiscible, el soluto se distribuye entre las dos fases hasta lograr una situación de equilibrio. Al separarse las dos capas de los disolvente inmiscibles se determina la concentración del soluto en cada capa, la relación de las concentraciones en cada capa fase es una constante. Esta constante, es llamada coeficiente de distribución (o partición), K, la cual es definida por: C2 K C1 Conde C1 y C2 son las concentraciones en equilibrio, en gramos/litro, del soluto en el disolvente 1 y en el disolvente 2 a una temperatura determinada. Esta relación es independiente de la concentración total y de los volúmenes de los disolventes. El coeficiente de distribución tiene un valor constante para cada soluto y es dependiente de la naturaleza del disolvente utilizado en cada caso. Con base en el coeficiente de distribución, no todo el soluto se transfiere al disolvente 2 en una sola extracción a menos que el valor de K sea muy alto. Generalmente 23
  • 34. Practica # 1 Técnicas Experimentales se requieren varias extracciones para eliminar el soluto del disolvente 1. Los disolventes orgánicos utilizados en extracción deben tener baja solubilidad en agua, alta capacidad de solvatación hacia la sustancia que se va a extraer y bajo punto de ebullición para facilitar su eliminación posterior. La extracción tiene amplia aplicación en la Química Orgánica. Se utiliza para extraer productos y eliminar impurezas de las mezclas de reacción, se emplea también para extraer productos de tejidos animales o de plantas. Para extraer un soluto de una solución es más efectivo realizar varias extracciones empleando volúmenes pequeños (extracción múltiple), que realizar una sola extracción (extracción simple) mediante el empleo de un volumen grande de disolvente. Matemáticamente esto se comprueba con la siguiente expresión: W K  n Wn  o V Kv  s Wn = g de soluto remanentes en la fase acuosa después de n extracciones Wo = g de soluto en la fase acuosa V = volumen de fase acuosa S = volumen del disolvente de extracción K = coeficiente de partición El embudo de separación El embudo de separación es la pieza que se utiliza en la extracción. La forma correcta de agitar el embudo se muestra en la Figura 1. El tapón y la llave, que deben estar bien ajustados, que se lubrican con una grasa adecuada antes de usarlos. El embudo debe agitarse moderadamente y purgarlo (aliviar presión) con frecuencia, para evitar la presión en el interior (Figura 1 y 2). 24
  • 35. Practica # 1 Técnicas Experimentales Figura 1: Agitación del embudo Después de agitar el embudo se debe reposar para la formación de una interfase que da la pauta para la separación de las fases. (Figura 3) En la identificación de fases es importante conocer la densidad de los disolventes orgánicos para ubicar su posición en el embudo con respecto a la fase acuosa. El número de extracciones en cada caso depende del coeficiente de distribución del disolvente. Figura 2: Purga del embudo 25
  • 36. Practica # 1 Técnicas Experimentales Figura 3: Separación de fases Emulsiones Con frecuencia se forman emulsiones durante el proceso de extracción. Estas pueden romperse mediante:  Un movimiento de giro suave al líquido del embudo.  Agitación vigorosa de la capa emulsionada.  Agitación de la fase acuosa con solución saturada de cloruro de sodio.  Centrifugación. Agente desecante químico  Un desecante debe reunir ciertas condiciones:  No reaccionar con la sustancia que se va a secar.  Ser eficaz, o sea, tener alto poder desecante; esto es, eliminar el agua completamente o casi completamente cuando se alcanza el equilibrio. 26
  • 37. Practica # 1 Técnicas Experimentales  Tener gran capacidad de desecación, es decir, eliminar una gran cantidad de agua por unidad de peso de desecante.  Secar rápidamente (alcanzar rápido el equilibrio)  Separarse fácilmente de la sustancia una vez seca. Los desecantes químicos se pueden dividir en dos grupos: a) Aquellos que reaccionan químicamente con el agua en un proceso no reversible, lo cual da lugar a un nuevo compuesto libre de agua. b) Los que se combinan reversiblemente con el agua para formar un hidrato. En la tabla 1 se presenta una serie de agentes desecantes con sus principales características y que son eliminados por filtración. Tabla 1. Agentes desecantes Acidez Hidratación Capacidad* Eficiencia** Velocidad*** Uso Sulfato de Neutro MgSO4.7H2O Alta Media Rápida General Magnesio Sulfato de Neutro Na2SO4.7H2O Alta Baja Media General Sodio Na2SO4.10H2O Cloruro de Neutro CaCl2.2H2O Baja Alta Rápido Hidrocarburos Calcio CaCl2.6H2O Haluros Sulfato de Neutro CaSO4.1/2H2O Baja Alta Rápida General Calcio CaSO4.2H2O Carbonato Básico K2CO3.1/2H2O Media Media Media Aminas, ésteres, de Potasio K2CO3. 2H2O bases, cetonas Hidróxido Básico Rápida General de Potasio * Cantidad de agua eliminada por peso de agente secante ** Se refiere a la cantidad de H2O en solución en equilibrio con el agente secante *** Se refiere a la velocidad de secado 27
  • 38. Practica # 1 Técnicas Experimentales Extracción selectiva con disolventes activos La extracción selectiva se emplea para separar mezclas de compuestos orgánicos, en función de la acidez, de la basicidad o de la neutralidad de éstos. Para realizar estas separaciones, es necesario utilizar disolventes activos, éstos pueden ser ácidos o básicos. Los disolventes activos ácidos que más se utilizan son HCl y H2SO4 en solución acuosa al 5 o 10%. Los disolventes activos básicos pueden ser fuertes como NaOH, KOH o moderados como NAHCO3 y Na2CO3 en solución acuosa al 5 y 10%. Las extracciones selectivas se basan en una reacción ácido-base entre el producto a separar y el disolvente activo ademado. Los compuestos iónicos son más solubles en agua que los compuestos covalentes y éstos más solubles en disolventes orgánicos que aquellos. Los compuestos básicos como aminas, se extraen con disolventes activos ácidos (HCl al 5 o 10%); la reacción que ocurre es la siguiente: + - R NH2 + HCl R NH3 Cl Unión covalente Unión iónica Menos polar Más polar Solubles en disolventes Soluble en agua Orgánicos Los ácidos carboxílicos reaccionan con disolventes activos básicos como NaOH, Na2CO3 o NAHCO3 al 5 o 10%, Las reacciones ácido-base que se efectúan son las siguientes: O O - + R C OH + NaOH R C O Na + H2O Unión covalente Unión iónica Menos polar Más polar Solubles en disolventes Soluble en agua Orgánicos 28
  • 39. Practica # 1 Técnicas Experimentales Los fenoles son compuestos menos ácidos que los ácidos carboxílicos. Por esta característica, reaccionan únicamente con bases fuertes como NaOH al 5 o 10%, lo anterior constituye la base para separar ácidos de fenoles. - + OH O Na + NaOH + H2O Fenóxido de sodio Fenol Sal soluble en agua La extracción selectiva también se utiliza para eliminar impurezas ácidas o básicas a un producto aislado de una mezcla de reacción. Los compuestos que no tienen características ácidas o básicas los consideramos neutros. Los compuestos extraídos pueden recuperarse por neutralización del disolvente activo para extraer. Si un compuesto está disuelto en fase básica éste puede recuperarse acidificando la solución. Por el contrario, si el compuesto está disuelto en fase acuosa ácida, puede recuperarse al agregar una base y modificar el pH hasta lo básico. Los compuestos neutros disueltos en un disolvente orgánico, se recuperar al eliminar el disolvente por destilación. CUESTIONARIO 1. ¿Qué es un disolvente activo? Cite cinco ejemplos. 2. ¿En qué casos debe utilizarse la extracción múltiple? 3. ¿En qué caso debe utilizarse la extracción selectiva? 4. ¿Por qué el compuesto neutro debe obtenerse por destilación del disolvente en el que se encuentra y no por cristalización en dicho disolvente? 5. Diga cuál de los siguientes sistemas de disolventes son factibles para la extracción. De acuerdo a su densidad, ¿en qué fase quedarian ubicados los disolventes? a) Hexano-agua b) Tolueno-agua c) Ac. Acetico-agua d) Ac. Clorhídrico-agua 6. Diseñe un diagrama de separación para una mezcla de m-nitroanilina, b-naftol y p- dicloro-benceno. 29
  • 40. Practica # 1 Técnicas Experimentales 7. De acuerdo con un criterio de calidad, especificidad y costo ¿qué tipo de hidróxido de sodio recomendaría para un proceso de extracción de la fase orgánica? a) Sosa en escamas b) Sosa al 50% (sol. Acuosa) c) Hidróxido de sodio grado R.A. d) Sosa cáustica grado Rayón 30
  • 41. Practica # 1 Técnicas Experimentales SEPARACIÓN Y PURIFICACIÓN DE UNA MEZCLA DE TRES COMPONENTES OBJETIVOS  Conocer la técnica de extracción como método de separación y purificación de sustancias integrantes de una mezcla.  Elegir los disolventes adecuados para un proceso de extracción.  Realizar diferentes tipos de extracción: simple, múltiple y selectiva. Aplicarlos a problemas específicos.  Conocer el proceso de destilación simple. PARTE EXPERIMENTAL MATERIAL Embudo de separación con tapón 1 Embudo de vidrio 1 Probeta de 25 ml 1 Matraz pera Quickfit 1 Vaso de precipitado de 250 ml 1 T de destilación 1 Vaso de precipitado de 150 ml 2 Refrigerente de agua con mangueraa 1 Matraz Kitasato con manguera 1 Colector 1 Espátula 1 Pinzas de 3 dedos con nuez 2 Agitador de vidrio 1 Recipiente de peltre 1 Embudo Büchner 1 Manta de calentamiento 1 Matraces Erlenmeyer de 125 ml 3 Tubos de ensayo 8 Matraces Erlenmeyer de 50 ml 4 Pipetas graduadas de 10 ml 2 SUSTANCIAS Se entregara a cada grupo dos muestras problemas, las cuales pueden ser líquidas o sólidas. PROCEDIMIENTO El estudiante deberá realizarle un análisis de la muestra y tomando en cuenta el estado físico en el cual se presente la muestra, para luego tomara la decisión de que tipo de técnica según la teoría estudiada debe aplicar para la separación y purificación de los componentes presentes en la muestra. Deberán realizar un esquema de separación y purificación, dependiendo del caso a estudiar, y proponer que hacer con los desechos generados. 31
  • 42. Practica # 1 Técnicas Experimentales Una vez separados y purificados los compuestos el estudiante determinara los grupos funciónales o grupo funcional principal presente en los compuestos puros, además deberá determinarle las diferentes propiedades físicas, dependiendo del estado de la muestra. Todos los análisis realizados a la muestra se deberán documentar, tanto en tablas como por escrito. Tratamiento de residuos Los residuos de este experimento son los siguientes. a) Residuos ácidos: deben neutralizarse y desecharse en el embase dispuesto para los mismos. Si presentan sólidos, se filtran previamente y se empacan para su posterior tratamiento. b) Residuos básicos: el tratamiento es igual que para los residuos ácidos. c) Residuos Etéreos: recuperar l disolvente por destilación para uso posterior; las colas de la destilación se almacenan para su posterior tratamiento. d) Residuos de Na2SO4: lavar con etanol y secar en la estufa para su uso posterior. BIBLIOGRAFIA 1. Brewster, R.Q., Vanderwerf, C.A. y McEwen, W.E., Curso práctico de química orgánica, 3ª. Ed., Alambra, S.A., Madrid, España, 1979. 2. Fessender, R.J. y Fessender, J.S., Techniques and Experiments for Organic Chemistry, Willard Grant Press, Boston, EU, 1983. 3. Mayo, D.W., y Pike, R.M., Microscale Organic Laboratory, John Wiley and Sons, Nueva York, EU, 1986. 4. Moore, J.A. y Dalrymple, D.L., Experimental Methods in Organic Chemistry, 2a. ed., W.B. Saunders, Philadelphia, EU, 1976. 5. Pavia, D.L., Lampman, G.M. y Kriz, G.S., Introduction to Organic Laboratory Techniques, Saunders College Publishing, 1988. 6. Perry, Chemical Engineer’s Handbook, McGraw-Hill, EU. 7. Roberts, R.M., Gilbert, J.C., Rodewald, L.B., Wingrove, A.S., Modern Experimental Organic Chemistry, 3ª. Ed., Holt, Reinehart and Winston, Nueva York, EU, 1979. 32
  • 43. Practica # 1 Técnicas Experimentales 8. Vogel, A.I., A Textbook of Practical Organic Chemistry, 3a. ed., Longman, Londres, Inglaterra, 1962. 9. Zubrick, J.W., Techniques and Experiments for Organic Chemistry, Survival Manual, John Wiley and Sons, 1984. 10. Zubrick, J.W., The Organic Chemistry Laboratory, John Wiley and Sons, EU, 1988. 33
  • 44. Practica # 1 Técnicas Experimentales 34
  • 45. Practica # 2 El Petróleo y sus Derivados PRACTICA # 2: EL PETRÓLEO Y SUS DERIVADOS OBJETIVO  Que el alumno entre en contacto con el petróleo crudo, sus orígenes, sus principales componentes, los métodos usados para sus preparaciones y su aprovechamiento.  Conocer los procesos de destilación simple y fraccionada, sus características y factores que en ellas intervienen.  Aplicar la técnica de destilación simple y fraccionada en la separación de los componentes de un crudo.  Aplicar la técnica de destilación a presión reducida en la purificación de líquidos. INTRODUCCIÓN. El petróleo crudo, al igual que el gas natural, se extrae del subsuelo, su origen es igual que el gas. El petróleo natural no presenta utilidad comercial así como se encuentra, y por ello es necesario someterlo a un proceso de refinación para obtener una gran cantidad de compuestos útiles para la industria química. La refinación del petróleo se hace por medio de una destilación. La refinación del petróleo consiste en calentarlo progresivamente para que los hidrocarburos comiencen a evaporarse y a separarse de los demás componentes. Industrialmente la refinación del petróleo se realiza en una columna de fraccionamiento en la cual se separan las distintas fracciones de hidrocarburos. Las fracciones más volátiles o ligeras están constituidas por los compuestos gaseosos y líquidos ligeros; estas fracciones salen de la columna por la parte superior. Las fracciones más pequeñas se destilan por la parte inferior de la columna. Este proceso se conoce como destilación primaria y es el primer paso de la refinación del petróleo. “Para nosotros el petróleo es esencial y sin el nos quedaríamos inútiles a menos de que hubiera un nuevo y abundante combustible.” El petróleo es esencialmente una mezcla de hidrocarburos que resultan de la descomposición de materias orgánicas de origen animal y vegetal. Los derivados del petróleo pueden tener varias propiedades, algunas iguales y otras diferentes. Por 35
  • 46. Practica # 2 El Petróleo y sus Derivados ejemplo, algunos derivados reaccionan al calor muy fácilmente, mientras que otros se necesita de mucho calor para llegar a su combustión. El derivado que más conocemos es el plástico y que lo usamos en un gran porcentaje de las cosas y útiles que necesitamos en la vida diaria. Las reservas de petróleo que quedan están por agotarse, si se siguen usando tan desmesuradamente. Y nos quedaríamos sin el principal combustible de nuestra era. Pero ahora ya se piensa en usar un nuevo combustible para ahorrar el petróleo y además, causa menos contaminación. La forma de obtener el petróleo es la destilación fraccionada de la cual se sacan todos sus derivados y por supuesto los hidrocarburos, alcanos, alquenos y alquinos. Usualmente, un yacimiento contiene: una capa gaseosa conocida como gas natural, una capa de hidrocarburos líquidos que es petróleo y otra de agua salada. La presencia de agua salada indica que la materia orgánica que dio lugar a la formación del petróleo fue primeramente depositada en el fondo de los mares. Debido a que el interés económico de las diferentes fracciones obtenidas es variable, se desarrollaron procesos para incrementar la producción de las fracciones de mayor consumo tales como gasolina y keroseno. El cracking es un proceso durante el cual los hidrocarburos de peso molecular alto son transformados en compuestos más pequeños como hidrógeno, el etileno y los componentes de las gasolinas. Actualmente, esta operación se realiza con mayor eficiencia en presencia de catalizadores para evitar temperaturas elevadas. TEORIA Destilación simple La destilación es un proceso que consiste en la evaporación de un líquido, condensación del vapor y colección del condensado. Cuando una sustancia líquida se contamina con pequeñas cantidades de impurezas, éstas pueden eliminarse por algún método de destilación, Se dice entonces que se efectúa una purificación. Cuando dos o más sustancias líquidas se encuentran formando mezclas en proporción relativamente parecida, se dice que la destilación puede usarse para la separación de componentes. 36
  • 47. Practica # 2 El Petróleo y sus Derivados En cada caso, deberá elegirse la técnica de destilación más acorde con las características de la muestra. Existen cuatro métodos de destilación: destilación simple, destilación fraccionada, destilación a presión reducida y destilación por arrastre con vapor. La relación entre la presión y la temperatura de ebullición de un líquido está determinada por su comportamiento presión de vapor-temperatura. Si un líquido contiene una impureza volátil, la separación de ambos se realiza generalmente por destilación. Cualquier par de sustancias que no tenga presiones de vapor idénticas se pueden separar por destilación. Como regla general, se puede indicar que una mezcla de dos componentes con una diferencia de por lo menos 80 °C puede separarse por una destilación sencilla. Sustancias cuyos puntos de ebullición difieren por menos de 80 °C se separan por destilación fraccionada. La destilación simple se utiliza para la purificación de compuestos orgánicos líquidos. Las mezclas, cuyos componentes no presentan grandes diferencias en sus puntos de ebullición, se separan por destilación fraccionada; esta técnica se utiliza continuamente en la industria y laboratorios. Destilación fraccionada La destilación fraccionada debe emplearse para separar y purificar mezclas de sustancias de puntos de ebullición cercanos. Actualmente se dispone de equipos de destilación fraccionada muy eficaces para lograrlo. Si una mezcla formada por benceno (p. eb.: 80 °C) – tolueno (p. eb.: 110 °C) cuyos componentes difieren 30 °C en sus puntos de ebullición, se separan por 37