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ALGUNAS REACCIONES DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Y SUS DERIVADOS DAIRO CARRASCAL1, GERSON SALCEDO1, TATIANA VERGARA1.

RESUMEN. En la práctica de laboratorio de Química Orgánica, llamada “algunas reacciones de Ácidos Carboxílicos y sus derivados”, se efectuaron reacciones químicas para reconocer algunas propiedades de este grupo funcional. Primeramente se llevó a cabo una prueba de caracterización para tres Ácidos, utilizando agua para determinar solubilidad y Bicarbonato de Sodio para confirmar acidez, se determinó que los Ácidos Oxálico, Benzoico y Salicílico son inmiscibles en agua, y se confirmó su acidez por desprendimiento gaseoso al reaccionar con Bicarbonato. Posteriormente, se efectuaron reacciones de formación de sales, haciendo reaccionar al Ácido Benzoico con agua, observado la insolubilidad correspondiente, y con Hidróxido de Sodio al 10 %, observando solubilidad, y por ende, formación de sal respectiva, el Benzoato de Sodio. Luego, se realizó la Hidrólisis de Sales para el Acetato de Sodio y el Nitrato de Sodio en reacción con agua, obteniendo un pH básico para el primero, y un pH sin viraje de papel para el segundo. Para la Hidrólisis básica de Ésteres (Saponificación), se hizo reaccionar aceite de aguacate con Hidróxido de Sodio al 25 % y Metanol para obtener jabón; el tiempo de desaparición de la espuma fue 1’ 13,79’’, al comparar este resultado con el tiempo para un detergente comercial, se apreció que para el primero fue mayor, la espuma duró más tiempo para desaparecer; y al hacer reaccionar el jabón y el detergente con Cloruro de Calcio se observó disminución de la formación de espuma hasta desaparición por acción de las impurezas de Calcio presentes. Por último, para la Hidrólisis básica y ácida de una Amida, se obtuvo que al reaccionar la Acetamida con el Hidróxido de Sodio al 10 % hubo desprendimiento de un olor a Amoníaco con basicidad presente, y para la reacción con Ácido Sulfúrico al 10 % se percibió un leve olor a vinagre con acidez presente. PALABRAS CLAVES: reacciones químicas, grupos funcionales, Ácidos Carboxílicos.

ABSTRACT. In the Organic Chemistry laboratory practice, called “some reactions of Carboxylic Acids and their derivatives”, to recognize some chemical properties of this functional group, reactions were performed. First carried out a test characterization three acids, using water to determine solubility and Bicarbonate to confirm acidity, was determined that the Oxalic Acid, Benzoic Acid and Salicylic Acid are immiscible in water and its acidity was confirmed by gas evolution at react with Bicarbonate. Subsequently, salt formation reactions were carried out, by reacting of Benzoic Acid with water, the corresponding observed insolubility, and with Sodium Hydroxide to 10 %, observed solubility and hence respective salt formation, the Benzoate. Then, Hydrolysis of Salts Sodium Acetate and Sodium Nitrate in reaction with water was performed, obtaining a basic pH for the first, and a pH without turn of paper for the second. For basic Hydrolysis of Esters (Saponification) was reacted avocado oil with Sodium Hydroxide to 25 % and Methanol to obtain soap; time of disappearance of the foam was 1' 13.79'', comparing this result with time for a commercial detergent, it was noted that for the first was higher, the foam takes longer to disappear; and reacting the soap and detergent using Calcium Chloride decreased foaming was observed to disappear by the action of Calcium impurities present. Finally, for basic and acidic Hydrolysis of an Amide, was obtained by reacting the Acetamide with Sodium Hydroxide to 10 % there was release a smell of Ammonia with basicity present, and for the reaction with Sulfuric Acid to 10 % a slight vinegar odor was perceived acidity present. KEY WORDS: chemical reactions, functional groups, Carboxylic Acids.

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Universidad de Sucre, Programa de Biología, tercer semestre, Química Orgánica, grupo 1, puesto 2.

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TABLA DE COTENIDO

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

INTRODUCCIÓN OBJETIVOS MATERIALES, REACTIVOS Y PROCEDIMIENTO RESULTADOS ANÁLISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA CUESTIONARIO

Pág (s). 3 4 5-6 7-8 9-13 14 15 16-19

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1. INTRODUCCIÓN La propiedad química más importante de los Ácidos Carboxílicos, que es otro grupo de compuestos orgánicos que contienen el grupo Carbonilo, es su acidez. Además, los Ácidos Carboxílicos forman numerosos derivados importantes, entre ellos los Ésteres, Amidas, etc. El grupo funcional de un Ácido Carboxílico es el grupo Carboxilo, llamado así porque está formado por un grupo Carbonilo y un grupo Hidroxilo. A continuación se incluye una estructura de Lewis para el grupo Carboxilo y también tres representaciones del mismo:

Casi todas las propiedades de los ácidos orgánicos son el resultado de la estructura del grupo Carboxilo. Un grupo Carboxilo tiene un doble enlace con el Oxígeno y un grupo Hidroxilo unido a un átomo de Carbono. Estos grupos y el grupo R se distribuyen simétricamente en un plano alrededor del átomo de carbono central. Puesto que el átomo de Oxígeno es más electronegativo que el átomo de Carbono, cada enlace Carbono-Oxígeno en el grupo Carboxilo es polar. Cada átomo de Oxígeno tiene una carga parcialmente negativa, y el átomo de Carbono tiene una carga parcialmente positiva. Puesto que el átomo de Hidrógeno está unido a un átomo de Oxígeno en el grupo Hidroxilo, el grupo Carboxilo se puede unir por medio del Hidrógeno a otras moléculas de ácido o a moléculas de agua en solución. Al observar los datos de solubilidad, el hecho de que los Ácidos Carboxílicos de menor masa puedan formar enlaces de Hidrógeno, explica su miscibilidad en agua. Tanto los Ácidos Carboxílicos como los Alcoholes tienen enlaces de hidrógeno entre sus moléculas; sin embargo, los Ácidos Carboxílicos tienen puntos de ebullición mucho más altos que los Alcoholes. Las sustancias que contribuyen con iones Hidrógeno al agua, se clasifican como ácidos. Comparados con los demás grupos orgánicos, los Ácidos Carboxílicos son los compuestos más ácidos, pero comparados con los ácidos inorgánicos, los Ácidos Carboxílicos son ácidos mucho más débiles. Casi todos los Ácidos Carboxílicos están ionizados entre un 2 y un 3%. El Ácido Clorhídrico y el Ácido Nítrico están ionizados casi en un cien por ciento. La acidez de los ácidos orgánicos se explica en términos de la estabilidad del anión que se produce después de que ocurre la ionización. Cuando el Ácido Carboxílico dona un ion Hidrógeno, produce un anión estabilizado por resonancia; este se denomina anión Carboxilato. Los Ácidos Carboxílicos son neutralizados por bases para producir una sal y agua.

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2. OBJETIVOS.

1. Reconocer un Ácido Carboxílico por su reacción con Bicarbonato de Sodio, observando el desprendimiento de gas Carbónico. 2. Determinar las solubilidades, en agua y en soluciones básicas, de Ácidos Carboxílicos. 3. Realizar reacciones de Hidrolisis básica en Sales, Ésteres y Amidas (sustituciones nucleofílicas). 4. Preparar jabón mediante la Hidrólisis básica de un Aceite o de una grasa (Ésteres de grasos insaturados o saturados, respectivamente). 5. Demostrar que ocurrió la Hidrólisis de Sales y Amidas, determinando el pH de la solución resultante.

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3. MATERIALES, REACTIVOS Y PROCEDIMIENTO

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MATERIALES:

Gradilla. Tubos de ensayo. Beaker. Mechero. Pinzas. Goteros. Papel indicador. Espátula.

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REACTIVOS: Ácido Oxálico. Ácido Benzoico. Ácido Salicílico. Agua. Bicarbonato de Sodio al 5 %. Metanol. Etanol. Hidróxido de Sodio al 10 %. Acetato de Sodio. Nitrato de Sodio. Aceite de aguacate. Hidróxido de Sodio al 25 %. Cloruro de Sodio al 25 %. Detergente. Cloruro de Calcio. Ácido Sulfúrico.

PROCEDIMIENTO: Para caracterización de Ácidos Carboxílicos, se disolvieron 10 gotas de un Ácido Carboxílico (Oxálico, Benzoico y Salicílico) en 10 gotas de agua, y se agregaron cinco gotas de Bicarbonato de Sodio al 5 %. El desprendimiento de Dióxido de Carbono confirmaba la presencia de ácido. Si el ácido era insoluble en agua, debían agregarse 10 gotas de Metanol o Etanol y luego tres gotas de solución al 5 % de Bicarbonato de Sodio Para la formación de sales, se tomó con una espátula una pequeña cantidad de Ácido Benzoico y se agregó a un tubo pequeño que contenía 3,0 mL de agua, se observó la solubilidad. Luego se tomó otra muestra de Ácido Benzoico y se agregó a un tubo que contenía 3,0 mL de Hidróxido de Sodio al 10 %, se agitó y se observó la solubilidad. Para la Hidrólisis de Sales se tomó con la punta de la espátula una pequeña cantidad de Acetato de Sodio y se agregó a un tubo de ensayo que contenía 3,0 mL de agua, se agitó y se determinó la acidez con papel indicador. El mismo proceso se efectúo con Nitrato de Sodio en lugar de Acetato de Sodio. Para la Hidrólisis básica de Ésteres (Saponificación), se dispuso una pequeña cantidad de aceite de aguacate en un tubo de ensayo grande, y se agregaron 3,0 mL de Hidróxido de Sodio al 25 % y 3,0 mL de Etanol, se calentó al baño de 5

maría durante 20 minutos y se agitó para disolver la grasa, al terminar el calentamiento se dividió el contenido del tubo en dos porciones y se colocaron en sendos tubos, marcados como A y B. Se tapó el tubo A y se agitó durante un minuto, se dejó reposar y se midió el tiempo que tardaba en desaparecer la espuma; para comparar, se hizo lo mismo con solución de detergente comercial. Luego, se calentó el tubo A y se añadió esta mezcla a un tubo grande que contenía 10,0 mL de solución acuosa de Cloruro de Sodio al 25 %, se agitó durante dos minutos y se observó la separación del jabón por efecto salino; para comparar, se hizo lo mismo con solución de detergente comercial. Posteriormente, se tomó el contenido del tubo B y se agregaron 2,5 mL de una solución al 10 % de Cloruro de Calcio, se agitó la mezcla y se observó si había la formación de espuma, se continuó adicionando el Cloruro hasta que no había formación de espuma, y se comparó el resultado con el de detergente comercial. Para la Hidrólisis básica de una Amida, se tomó una muestra de Acetamida y se agregó 1 mL de Hidróxido de Sodio al 10 % en agua y se calentó hasta ebullición, se percibió el olor del gas desprendido y se comprobó su basicidad poniendo papel indicador en la boca del tubo. Finalmente, para la Hidrólisis ácida de una Amida, se realizó lo mismo que en el proceso anterior, pero remplazando Hidróxido de Sodio por Ácido Sulfúrico al 10 % en agua.

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4. RESULTADOS

Caracterización de los Ácidos Carboxílicos: Ácido Oxálico Benzoico Salicílico

Solubilidad en agua + -

Solubilidad en Alcohol + + +

Reacción con Bicarbonato de Sodio Desprendimiento gaseoso. Desprendimiento gaseoso. Desprendimiento gaseoso.

Tabla 1. Solubilidad en agua y en Metanol de los Ácidos Oxálico, Benzoico y Salicílico, asúmase positivo (+) como miscibilidad y negativo (-) como inmiscibilidad. También la reacción de desprendimiento de Dióxido de Carbono gaseoso de estos ácidos con Bicarbonato de Sodio al 5 %.

Formación de Sales: Reacción Solubilidad Ácido Benzoico + agua Ácido Benzoico + Hidróxido de Sodio al 10 % + Tabla 2. Solubilidad para las reacciones del Ácido benzoico con agua e Hidróxido de Sodio al 10 %, asúmase positivo (+) como miscibilidad y negativo (-) como inmiscibilidad.

Hidrólisis de Sales: Reacción pH Acetato de Sodio + agua Básico Nitrato de Sodio + agua x Tabla 3. pH determinado luego de efectuar las reacciones entre Acetato de Sodio y agua y Nitrato de Sodio y agua. Asúmase x como no viraje de la cinta indicadora.

Hidrólisis básica de Ésteres: Producto Tiempo Jabón producido a base de aceite de aguacate 1’ 13,79’’ Detergente comercial 10,69’’ Tabla 4. Tiempo para desaparecer la espuma de los dos productos analizados.

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Gráfico 1. Efecto salino al agregar Cloruro de Sodio al 25 % al jabón producido. En la primera fase se encontraba el jabón y en la segunda la sal separada.

Gráfico 2. Disminución de la formación de espuma al agregar Cloruro de Calcio al jabón producido.

Hidrólisis básica de una Amida: Reacción pH Olor de gas Acetamida + Hidróxido de Sodio al 10 % Básico Fuerte a Amoníaco Hidrólisis ácida de una Amida: Reacción pH Acetamida + Ácido Sulfúrico al 10 % Ácido

Olor de gas Ligero a Amoníaco

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5. ANÁLISIS DE RESULTADOS

A los compuestos que contienen el grupo Carboxilo se les denomina Ácidos Carboxílicos. El grupo Carboxilo es el origen de una serie de compuestos orgánicos entre los que se encuentran los Haluros de Acilo, los Anhidridos de Acilo, los Ésteres y las Amidas. Un Ácido Carboxílico se puede disociar en agua para dar un protón y un ion Carboxilato. Normalmente las constantes de acidez de los Ácidos Carboxílicos simples son de alrededor de 10 -5. Aunque los Ácidos Carboxílicos no son tan ácidos como los Ácidos Minerales, son mucho más ácidos que otros grupos funcionales que se han estudiado. La disociaición de un Ácido implica la ruptura heterolítica de un enlace Hidroxílo, pero cuando la disociación se prodice sobre el Ácido Carboxílico se genera un ion Carboxilato con la carga negativa repatidad por igual sobre los dos átomos de Oxígeno. La deslocalización de la carga en el ion Carboxilato hace que este sea mucho más estable que los Alcóxidos de los Alcoholes, y por tanto, la disociación de un Ácido es menos endotérmica que la de un Alcohol. La reacción general para esta disociación es la siguiente:

Aunque mucho más débiles que los Ácidos Minerales fuertes (Sulfúrico, Clorhídrico, Nítrico), los Ácidos Carboxílicos son sustancialmente más ácidos que los orgánicos muy débiles estudiados hasta el momento (Alcoholes, Acetileno); son mucho más ácidos que el agua, por lo que los Hidróxidos acuosos los convierten en sus sales con facilidad, y los Ácidos Minerales acuosos reconvierten las sales en los Ácidos Carboxílicos correspondientes. Los Ácidos Carboxílicos tienen una parte hidrófila (la función Carboxílica) y otra hidrófoba (la cadena carbonada). cuanto más larga es esta última menor es la solubilidad en agua. Los ácidos de cadena corta pueden mezclarse con agua en cualquier proporción porque el grupo Carboxilo se integra bien en la complicada cadena tridimensional de los enlaces de Hidrógeno formados por el agua. En una función Carboxílica, el grupo Hidroxílo puede actuar como aceptor y dador de hidrógeno y el C=O como aceptor en la formación de enlaces de Hidrógeno. Sus estructuras hacen suponer que los Ácidos Carboxílicos sean moléculas polares y, tal como los Alcoholes, pueden formar puentes de Hidrógeno entre sí y con otros tipos de moléculas. Los Ácidos Carboxílicos se comportan en forma similar a los Alcoholes en cuanto a sus solubilidades: los primeros cuatro, en los que se incluye al Ácido Oxálico (es el diácido orgánico más simple), son miscibles con agua, el ácido de cinco Carbonos es parcialmente soluble y los superiores son virtualmente insolubles. La solubilidad en agua se debe a los puentes de Hidrógeno entre el Ácido Carboxílico y el agua. El ácido aromático más simple, el Benzoico, contiene 9

demasiados átomos de Carbono como para tener una solubilidad apreciable en agua, esto mismo sucede con el Ácido Salicílico. Los Ácidos Carboxílicos son solubles en solventes menos polares, tales como Éter, Alcohol (Metanol, Etanol), Benceno, entre otros. Los Acidos Carboxílicos reaccionan con Bicarbonato de Sodio aucoso, y aunque a sustancia sea soluble en agua, queda comprobada su acidez por el burbujeo de Dióxido de Carbono, dada la reacción general:

Tal y como se pudo apreciar en la práctica al hacer reaccionar los Ácidos con el Bicarbonato. Las sales de Sodio y Potasio de la mayoría de los Ácidos Carboxílicos son fácilmente solubles en agua. Es el caso de Ácidos Carboxílicos de cadena larga. Estas sales son los principales ingredientes del jabón. Debido a la fácil interconversión de ácidos y sus sales, este comportamiento puede emplearse de dos modos importantes: para identificación y para separación. Desde el punto de vista químico, los Ácidos Carboxílicos reaccionan rápidamente con soluciones acuosas de Hidróxido de Sodio y Bicarbonato de Sodio formando sales de Sodio solubles, y por lo tanto, para distinguir los Ácidos Carboxílicos insolubles en agua de los Fenoles y Alcoholes insolubles en agua pueden utilizarse pruebas de solubilidad y la insolubilidad de los últimos en base acuosa. Para el caso del Hidróxido de Sodio, la reacción general con un Ácido Carboxílico sería:

Una base fuerte puede desprotonar completamente en un Ácido Carboxílico. Los productos son el ion Carboxilato, el catión que queda de la base, y agua. La combinación de un ion Carboxilato y un catión constituyen la sal de un Ácido Carboxílico. Estas sales orgánicas pueden reaccionar con agua mediante un mecanismo de Hidrólisis. Así, por ejemplo, para el Acetato de Sodio en reacción con agua se tiene que, el Acetato de Sodio es una sal proveniente de un ácido débil y una base fuerte, con la Hidrólisis se regenera el ácido y la base en una reacción de equilibrio. El ácido débil, a su vez, se disocia parcialmente para dar ion Acetato e ion Hidrogenuro, y la base se disocia totalmente para dar ion Sodio e ion Hidroxilo. Por tanto, por tratarse de una sal formada por un ácido débil y una base fuerte, el pH de la solución será básico, mayor a 7. Más exactamente sería así: 10

La disociación del Acetato de Sodio en agua es total según la reacción: NaAc  Na+ + AcDe momento no ha intervenido el agua (directamente, por supuesto está rodeando a los iones). La cuestión es que el ion Acetato proviene del Ácido Acético (HAc) que es un ácido débil, es decir, su disociación es parcial: HAc + H2O ↔ Ac- + H3O+ Y por lo tanto, el ion Acetato (Ac-) sufrirá Hidrólisis: Ac- + H2O ↔ HAc + OHCon todo esto, se puede escribir el proceso de disociación del Acetato de Sodio en agua como: NaAc  Na+ + AcAc- + H2O ↔ HAc + OHComo se puede comprobar aparece un ion Hidroxilo en el medio, por lo tanto el pH del medio será básico, tal y como se comprobó en la práctica. Por otra parte, en agua, el Nitrato de Sodio sufre reacción de disociación, únicamente. No puede hidrolizarse porque tanto el ion Sodio como el Nitrato provienen de base y acido fuerte, respectivamente. Tampoco puede reaccionar enérgicamente con el agua porque el Sodio está en forma iónica no como sólido. De tal manera que la ecuación química que representa la disolución del Nitrato en agua es: NaNO3(s) + H2O  Na+(ac) + NO3-(ac) Para que se hidrolizara, tendría que tener propiedades ácido-base, para poder reaccionar en Hidrólisis, pero ambos iones de la sal no tienen propiedades ácidobase por ser un ácido y una base de fuerza sumamante baja, respectivamente. La Saponificación o "fabricación de jabón", es la Hidrólisis básica de los Ésteres y evita el equilibrio de la Esterificación de Fischer, catalizada por ácido. El ion Hidroxilo de una base metálica realiza un ataque nucleofílico sobre el Carbono Carbonílico del grupo Carboxilato. Como consecuencia, los átomos de Carbono y Oxígeno de configuración sp2 se transforman en un intermediario tetraédrico sp 3. Luego de la formación de un ácido y un ion Alcóxido, el ácido transfiere rápidamente un protón al Alcóxido para formar el alcohol. En la práctica, el jabón se fabrica por hidrólisis básica, con Hidróxido de Sodio o Potasio, de grasas animales o aceites vegetales, que son Ésteres de Ácidos Carboxílicos de cadena larga con Glicerol. Esta reacción fue descubierta hace más de 2500 años cuando se encontró que se obtenía cuajo cuando la grasa animal se calentaba con las cenizas de la madera.

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Por lo tanto, un jabón es la sal de Sodio o de Potasio de un ácido graso. El grupo Carboxilato negativo, es hidrofílico y polar, mientras que la cadena de hidrocarburo es hidrofóbica, no polar y lipofílica, por lo que los jabones tienen carácter anfipático. Los jabones se preparan por medio de una de las reacciones químicas más conocidas: la...