Análisis Organico Cualitativo Elemental - Reporte PDF

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Reporte de Laboratorio

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Análisis Orgánico Cualitativo Elemental Daniel Alfaro Alfaro y Martín Araya Gutiérrez Laboratorio de Química Orgánica, Profesor: Lic. Alejandro Villalobos Ugalde, Química Industrial, Escuela de Química, Universidad Nacional, Costa Rica. Fecha de Realización: 23/02/2016

Fecha de entrega: 17/03/2016

Resumen: En esta práctica se realizará un análisis orgánico cualitativo, que permite ver características singulares de los compuestos orgánicos y un análisis una incógnita a la cual se desconocía sus elementos. Esto comprende a llevar a la incógnita a varias pruebas químicas, principalmente con precipitados, de las cuales identificarán a los elementos respecto a su comportamiento frente a estas pruebas y colores de precipitado conocidos. Se utilizó la técnica de prueba de Lassaigne y se llevó con esta prueba a una marcha analítica para el análisis pertinente. Se obtuvieron resultados del comportamiento inflamable de los compuestos orgánicos, identificación de carbonos en una muestra y el análisis; el cual en esta práctica resultó negativo para azufre y nitrógeno, positivo para yodo, bromo y cloro. El resultado de solubilidad fue la disolución completa en agua, lo que indica una solubilidad completa, y con su pH ácido al probar con papel tornasol, se concluyó que se encuentra entre los ácidos solubles. Concluimos que los compuestos orgánicos poseen características únicas que sobresalen con respecto a los compuestos iónicos, y además, que la incógnita que se analizó tenía la presencia de yodo, cloro y bromo. Palabras clave: Análisis orgánico, marcha analítica, compuestos orgánicos, precipitados, solubilidad.

Fundamento Teórico: En esta práctica se logró la identificación de los elementos que comúnmente se encuentran junto a carbono, hidrógeno y oxígeno (nitrógeno, azufre, flúor, cloro, bromo y yodo), se basa en su conversión a compuestos iónicos solubles en agua y en la identificación de estos mediante pruebas específicas. La prueba de Lassaigne es uno de los métodos para la conversión a sales iónicas de un compuesto orgánico, es la fusión alcalina en presencia de sodio metálico. Los experimentos con sodio metálico son seguros cuando se toman las precauciones necesarias por tal motivo la fusión alcalina es fácil y sencilla.6,2

Además, la identificación de un elemento como el nitrógeno, azufre y halógenos que se puede encontrar en una molécula orgánica, se realiza aplicando previamente al compuesto orgánico la reacción de fusión con sodio para formar sales, que son iónicas y solubles en agua y que pueden reaccionar con reactivos específicos. Una vez realizada y formada la sal de sodio, se realizan pruebas químicas sencillas ya sea coloreadas o formando precipitados, que revelarán la presencia de nitrógeno, azufre o halógenos. En algunos casos, la coloración o precipitado puede variar por errores humanos al manipular los reactivos, tal es el caso de añadir un exceso o la carencia del compuesto problema o de los

reactivos, o bien puede ser por una mala fusión con el sodio.1,7 Por lo tanto, un análisis cualitativo es apropiado para realizar una prueba de ignición antes de llevar a cabo cualquier análisis elemental, ya que un ensayo de esta naturaleza brinda la información necesaria sobre la sustancia a utilizar.3,7 Por consiguiente, el naftaleno es un compuesto orgánico que posee enlaces covalentes (fuertes), el cual los átomos se unen para compartir electrones, por ende las fuerzas hay un equilibrio estable entre las fuerzas de atracción y repulsión. El cloruro de sodio se caracteriza por tener enlaces iónicos (débiles), el cual permite que un átomo ceda un electrón a otro, dichos compuestos son altamente solubles en agua y tienen un punto de fusión elevado; también tienen una alta conductividad eléctrica. 4,6 Para el reconocimiento de carbono e hidrógeno, se realiza calentando un material desconocido con óxido de hierro (II) por medio de esta manera el carbono se oxida a dióxido de carbono, el cual se detecta a través de un tubo de desprendimiento para que en una disolución de hidróxido de bario burbujee. El hidrógeno se transforma en agua, la cual se condensa en las paredes frías del tubo de ensayo, luego el carbonato de bario se trata con el ácido clorhídrico, para determinación cualitativa de esos elementos se debe ionizar, por lo tanto, es necesario agregar exceso de sodio, puesto que si el azufre y el nitrógeno están juntos pueden formar NaSCN, por ende, una buena cantidad de sodio permite descomponer el tiocianato de sodio en Na2S Y NaCN. El filtrado alcalino obtenido después de la fusión se trata con el sulfato de hierro (II) para la formación de hexacianoferrato (II) de sodio. Durante esta etapa es normal que aparezca un precipitado rojizo de Fe(OH)2 y Fe(OH)3, este ultimo de ion Fe+3 se forma a partir sobre la oxidación que provoca el aire sobre algunos de Fe+2, por esta razón es necesario acidular con H2SO4 diluida y así

lograr disolver los OH. Este último reacciona con sal de hierro (II) produciendo hexacianoferrato (II) de hierro (III).5,7 La acidificación para eliminar el hidróxido de hierro (II) y el hidróxido de hierro (III) no se puede realizar con HCl(ac) es relevante indicar que la adición de KF favorece en la formación de azul Prusia, posiblemente por la formación del complejo K3FeF6, para determinar el azufre se agrega acetato de plomo así forma un precipitado negro de sulfuro de plomo.1,7 No obstante, los halógenos se determinan por la formación de haluros de plata al añadir nitrato de plata y ácido nítrico al filtrado de la fusión, es necesario para erradicar la interferencia de los iones sulfuro y cianuro, por el filtrado se hierve con ácido sulfúrico, sin dicho tratamiento la determinación de los haluros podrían dar falsos positivos, el ion yoduro es fácil de determinar, el potencial normal de oxidación según el par I2 / I - , es de +0,54v y el ion sulfato es capaz de oxidar al ion yoduro en medio ácido por la ecuación: Por ende, dicho reconocimiento se efectúa por la coloración violeta que se forma al disolverse el yodo en un disolvente orgánico, esta reacción no siempre se verifica por lo que es necesario utilizar un fuerte oxidante más fuerte. El ion bromuro requiere de un agente oxidante más fuerte para formar bromo molecular, su estabilidad frente a oxidantes es menor que al ion cloruro. El ion cloruro es determinado por la formación de cloruro de plata y su disolución en amoniaco. 6,7 Resumen del Procedimiento I Parte. Conducta frente al calor. Se armó un sistema. En la cápsula se colocó una punta de espátula de naftaleno y se separó otra de cloruro de sodio, se calentó y se dejó enfriar.

II Parte. Inflamabilidad.

VIII Parte. Determinación de halógenos

Se colocó una punta de espátula de naftaleno en la cápsula y se realizó en el sistema armado. Se repitió el paso con NaCl.

Se agregó en un tubo 2mL del filtrado, unas gotas de ácido nítrico al 3%, 3 gotas de nitrato de plata al 1%. Se tomó 4mL del filtrado, se agregó H2SO4 al 50%. Se hirvió 2 minutos y se enfrió, luego se adicionó 2 gotas de CCl4 y unos cristales de NaNO2, se agitó con cuidado . Se trató toda la disolución con más NaNO2 y 1mL CCl4, se agitó suavemente y se removió con un capilar, después se repitió hasta que desapareció el color violeta y se hirvió por 1 minuto. Se adicionó 1mL de la disolución pasada 2 gotas de blanqueador. Se probó con papel tornasol, se agregó HNO3 gota a gota que se verificó la acidez en un papel de pH y se añadió una gota más. Se agregó 0,5 mL de CCl4.

III Parte. Descomposición de la urea. Se introdujo una pequeña cantidad de urea en un tubo de ensayo se sostuvo con una prensa universal y se colocó un papel tornasol húmedo y se calentó por 1 minuto. IV Parte. Reconocimiento de Hidrógeno y Carbono En un tubo de ensayo se agregó una punta de espátula de azúcar y 2g de CuO. Se conectó un tubo de desprendimiento con Ba(OH)2 se calentó hasta que burbujeó. En el tubo con Ba(OH)2 y gases del otro tubo se adicionó gota a gota de HCl hasta que se desapareciese el precipitado (tubo 2). V parte. Fusión con sodio. En un tubo de ensayo se sostuvo con una prensa universal, se agregó un trocito de Na. Se fundió hasta que los vapores se elevaron, inmediatamente se agregó la sustancia a evaluar y se calentó hasta al rojo, luego se dejó enfriar. Se repitió el paso 2, dos veces más, se agregó 1mL de etanol y se movió con un agitador. Se calentó al evaporar el etanol y se dejó caer a un Beaker con 20mL de agua destilada luego se filtró la disolución alcalina.

VI parte. Determinación del azufre. Se tomó 2mL del filtro anterior, se agregó ácido acético al 5% y 5 gotas de acetato de plomo 0,1 M. VII parte. Determinación del nitrógeno En un tubo se agregó 0,1- 0,2g de sulfato de hierro (II). Al tubo se le añadió 2mL del filtrado. Se calentó con suavidad hasta que hirvió y se dejó enfriar después se agregó H2SO4 al 10% para desaparecer los hidróxidos de hierro. Se agregó 1mL de KF al 5%.

Se tomó 3mL del filtrado y se diluyó con 5mL de agua destilada. Se aciduló con 1mL de HNO3 concentrado y se añadió 0,2g de presulfato de potasio o amonio. Se colocó núcleos de ebullición, se hirvió por 1 minuto y se concentró. Se enfrió y agrego más gotas de AgNO3 al 1% y se obtuvo un precipitado blanco y no hubo otro halógeno suficiente. IX Parte. Solubilidad. Se colocó 0,2mL de compuesto líquido o 0,1g si era sólido. Se agregó 3mL de disolvente según el esquema. Se anotó si era soluble y se probó en un papel tornasol.

Resultados Cuadro 1.Observacionde de la conducta frente al calor y la inflamabilidad del Naftaleno y NaCl. Reactivo NaCl Naftaleno

Conducta al calor Se mantuvo Sólido Se fundió y evaporó

Inflamabilidad

Cuadro 5. Determinación cualitativa de la presencia de halógenos en la disolución de la fusión de sodio con la incógnita “Bell MT”. Elementos Halógenos

No se inflamó Alzó llamas

Yodo

Cuadro 2. Determinación cualitativa del pH del gas liberado al descomponer la Urea. Papel tornasol a utilizar

Papel tornasol al hacer la prueba

Rojo

Azul

Cuadro 3. Observaciones del proceso de reconocimiento de carbonos e hidrógeno en forma cualitativa. Ítem Al burbujear el gas en el tubo de ensayo con BaOH Adición de HCl al 10% al tubo burbujeado con BaOH

Observaciones Poco a poco se fue mostrando una coloración blanca Al agregar lo suficiente la coloración blanca desapareció

Cuadro 4. Determinación cualitativa de la presencia de azufre y nitrógeno en la disolución de la fusión de sodio con la incógnita “Bell MT”. Ítem Disolución base + Pb(C2H3O2)2 Disolución base + FeSO4

Observaciones Precipitado Amarillo fuerte Mostaza Al acidificar mostró una coloración amarilla pálida

Bromo

Cloro

Observaciones Precipitado blanco con una coloración amarillo leve Se formó una fase color morado intenso y arriba de eso otra fase color amarillo oro traslúcido Se formó una fase amarillo naranja leve y otra debajo de esta de color morado claro Precipitado blanco lechoso

Cuadro 6. Determinación de la solubilidad y acidez del compuesto de la disolución de la fusión de sodio con la incógnita “Bell MT”. Ítem Solubilidad en agua Prueba al papel tornasol rojo Prueba al papel tornasol azul

Observaciones y resultados Se solubilizó por completo Rojo Rojo

Discusión de Resultados Conducta frente al calor y la inflamabilidad del Naftaleno y NaCl. Al someter el NaCl y el Naftaleno al calor se observó que solamente el Naftaleno se fundió y se evaporó, mientras que el NaCl no presentó acción ninguna. La base de esta explicación comienza desde la clasificación de los enlaces. El NaCl presenta enlaces iónicos en su estructura molecular, mientras que el Naftaleno presenta enlaces covalente en su estructura molecular. La diferencia entre el

enlace covalente e iónico radica principalmente en que en el enlace covalente solamente comparte los electrones para formar el enlace, el iónico los transfiere, esto quiere decir que en el iónico se unen dos átomos con cargas opuestas y la energía para separar estos átomos es bastante alta, comparado al enlace covalente. Además en el compuesto iónico la unión de catión con anión produce un ordenamiento iónico que forma las redes cristalinas difíciles de separar por su ordenamiento específico. Con respecto a la inflamabilidad de estos compuestos, vemos que el término “inflamable” se le atribuye a aquellos compuestos en los cuales sus vapores forman, con el O2 gaseoso en el aire, la mezcla adecuada para que solamente con una chispa pueda éste reaccionar desencadenando una reacción de combustión, respecto a la reacción: 𝚫

𝐶10 𝐻8 + 12𝑂2 → 10𝐶𝑂2 + 4𝐻2 𝑂

Ecuación 1

Por lo tanto, el naftaleno al ser más volátil que el NaCl produce más gases a temperatura ambiente, los cuales son inflamables. Esto se comprueba debido a que darse la combustión completa se observa en un residuo negro proveniente de la combustión dada.

Discusión del pH del gas liberado al descomponer la Urea. Al someter la Urea a la descomposición aplicándole energía en forma de calor a la misma, se observó que el papel tornasol rojo colocado justo en la salida del gas comenzó lentamente a cambiar a una tonalidad azul. Luego de observar la reacción de la descomposición de la Urea: 𝚫

(𝑁𝐻2 )2 𝐶𝑂 → 𝐶𝑂2(𝑔) + 𝐻2 𝑂(𝑔) + 𝑁𝐻3(𝑔) + 𝐶𝑂 Ecuación 2.

Podemos analizar que según la ecuación de reacción se da la liberación del amoniaco

(NH3), lo cual es una base, esto es lo que provoca que, con el choque de las moléculas de amoniaco con el papel tornasol, éstas se condensen y así reaccionan con el papel tornasol para indicar un cambio de pH a básico; la cual es la razón del cambio de coloración del papel tornasol. Proceso de reconocimiento de carbonos e hidrógeno Al aplicarle calor al tubo de ensayo con la punta de espátula y CuO contenida, se observó un desprendimiento de gas, éste desprendimiento se justifica con la siguiente reacción: 𝐶6 𝐻12 𝑂6 + 24𝐶𝑢𝑂 → 6𝐶𝑂2(𝑔) + 6𝐻2 𝑂 + 12𝐶𝑢2 𝑂 Ecuación 3.

Como se puede notar, el gas desprendido es el CO2. Éste compuesto viaja por el tubo que conecta los dos tubos de ensayo, en donde llega a tener fin al sumergirse en la disolución de Ba(OH)2 en el otro tubo de ensayo. Al burbujear el CO2 en la disolución de Ba(OH)2 se observó un precipitado blanco, comprobado por la reacción: 𝐶𝑂2 + 𝐵𝑎(𝑂𝐻)2 → 𝐵𝑎𝐶𝑂3(𝑠) + 𝐻2 𝑂

Ecuación 4.

El precipitado blanco, el cual es el BaCO3, posee una constante del producto de solubilidad (Kps) del 2.58×10-9, la cual es una constante bastante pequeña que demuestra la posibilidad de precipitado. Además se le agregó a esta disolución que contenía el precipitado unas gotas de HCl, lo suficientes para que disolviese el precipitado, en respaldo a la reacción: 𝐵𝑎𝐶𝑂3 + 2𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑐) → 𝐶𝑂2(𝑔) + 𝐻2 𝑂 + 𝐵𝑎𝐶𝑙2(𝑎𝑐) Ecuación 5.

Con esta reacción, que en efecto ocurrió, queda demostrado que el precipitado trataba de BaCO3, y por ende queda demostrada la presencia de carbonos.

Figura 1. Precipitado de BaCO3

También se observaron gotas alrededor del tubo de ensayo que contenía el azúcar. Con respecto a la ecuación 3, justificamos estas gotas como presencia de agua que se condensó al chocar contra las zonas más frías del tubo de ensayo. Esto demuestra la presencia del elemento hidrógeno en forma de agua, o bien H2O. Por último, se observó que no hubo ningún producto o cambio considerable con respecto al CuO; le atribuimos a este reactivo la función de catalizador, ya que normalmente es utilizado para esto y además no tuvo interacción con la reacción principal.

embargo el PbBr2 precipita en color amarillo pálido y algunas veces blanco, a diferencia del PbI2, que muestra un precipitado amarillo fuerte y además su Kps da una mayor probabilidad de precipitar. Con esto se razona que el precipitado para la determinación de azufre fue PbI2 y no había presencia del azufre.

Figura 2. Precipitado de PbI2

Con respecto a la determinación del nitrógeno, al adicionar el FeSO4 a una muestra de la disolución base, no se dio la coloración de azul prusia que justificaba la presencia del nitrógeno por la reacción: 𝐹𝑒𝑆𝑂4 + 6𝑁𝑎𝐶𝑁 → 𝑁𝑎4 [𝐹𝑒(𝐶𝑁)6 ] + 𝑁𝑎2 𝑆𝑂4 Ecuación 6.

Discusión del resultado de la prueba de la presencia de azufre y nitrógeno en la disolución de la fusión de sodio con la incógnita “Bell MT”. Al agregar el acetato de plomo [Pb(C2H3O2)2] a una muestra de la disolución base previamente acidificada se observó un precipitado amarillo mostaza. La coloración esperada en caso de la presencia de azufre era negro, debido al precipitado de PbS. Sin embargo, aun realizando esta prueba dos veces se dio el mismo resultado. La razón de esta coloración es una posible reacción del plomo con algún otro elemento, en este caso se asumió que los más probables eran la reacción del plomo con bromo, yodo o cloro. La Kps para el PbCl2 es de 1.70×10-5, lo cual es un probable precipitado, sin embargo el color de este precipitado es blanco, lo cual lo descarta. Con respecto al PbI2 y PbBr2 poseen una Kps de 6.60×10-6 y 9.8×10-9 respectivamente, los cuales son Kps pequeñas de posible precipitados, sin

3𝑁𝑎4 [𝐹𝑒(𝐶𝑁)6 ] + 2𝐹𝑒2 (𝑆𝑂4 )3 → 𝐹𝑒4 [𝐹𝑒(𝐶𝑁)6 )3 + 6𝑁𝑎2 𝑆𝑂4 Ecuación 7.

Si el ion CN- se encontraba, el cual solo podía estar con la presencia de nitrógeno, se formaban estas dos reacciones que llevaban a la formación del hexacianoferrato (II) de hierro (III), que daba la coloración azul prusia. Sin embargo el resultado fue una coloración amarilla pálida. Se dedujo que no es ningún tipo de precipitado por la manera en que se termina formando la coloración y además es uniforme. Por lo tanto por la ausencia del color azul prusia se descarta la presencia de nitrógeno en la muestra.

Figura 3. Prueba negativa de nitrógeno.

Discusión del resultado de la prueba de la presencia de halógenos en la disolución de la fusión de sodio con la incógnita “Bell MT”. Al agregarse AgNO3 a una muestra de la disolución se presentó un precipitado color blanco con coloración amarillenta. Esto se puede justificar de manera que en efecto dio positiva la prueba, según la prueba debía de dar amarillo o blanco de ser positiva, en este caso se dio una combinación. Esto es debido a que muy probablemente haya una combinación de precipitados de dos o tres elementos. Esto ya que el precipitado del AgCl es color blanco (Kps = 1.77×-10), el del AgBr es igualmente blanco (Kps = 5.35×10-13) pero el del AgI es amarillo (8.52×10-17), por tanto podemos explicar la coloración amarilla en la prueba de halógenos, sin embargo no podemos confirmar la total presencia de alguno de los tres juntos, pero sí de alguno de ellos, ya que la prueba de halógenos es positiva.

Figura 4. Prueba de Halógenos positiva

con otros elementos, se le adicionó CCl4 y unos cristales de NaNO2. Se observaron dos fases: una con una coloración morada intensa, y debajo otra con una coloración de amarillo oro pero traslúcida. Al fondo se ubicaban solamente residuos color oscuro o negro, sin embargo lo más importante eran las dos fases. La primera fase es el resultado de disolver el yodo en un compuesto no polar, formando así I2. La segunda fase es el bromo presente en la disolución, el cual sigue en su fase polar. Se le adicionó más CCl4 para poder disolver el yodo por completo. Luego se extrajo la fase amarilla oro en la cual se especulaba que se encontraba el bromo para hacerle las pruebas pertinentes.

Figura 5. Prueba de yodo positiva

A la fase amarilla oro se le extrajo del tubo con un tubo capilar, y se depositó en otro tubo de ensayo para realizarle las pruebas. Se hirvió la prueba para evaporar cualquier rastro de I2. Se agregó NaClO luego se agregó de nuevo CCl4. El resultado fue de nuevo dos fases: una coloración amarillo naranja (casi parda) muy leve en la parte de arriba, y la fase de abajo fue un morado traslúcido. La presencia de Bromo es notable debido a la coloración parda que toma la p...