Equipo 12 3AV1 Práctica 5 PDF

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Práctica de Laboratorio de Química Orgánica ENCB ISA...

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Instituto Politécnico Nacional Escuela Nacional de Ciencias Biológicas

Ingeniería en Sistemas Ambientales Laboratorio de Química Orgánica Práctica No. 5 Determinación Espectrofotometrica del pKa Integrantes: ● Aguilera Garduño Arlene Ximena ● Becerril Hebrard Francisco Javier ● Callejas Arriola Grecia Equipo: 12

Grupo: 3AV1

Profesores: ● Dr. Jorge Alberto Mendoza Perez ● Dra. Leonor Reyes Dominguez ● Dr. Oscar Espinoza de los Monteros Rodriguez

Actividades Previas Investigue con anticipación la información necesaria para poder llenar la siguiente tabla:

Propiedad

Compuesto Rojo de Metilo

Ácido acético

Estado físico

Sólido (polvo)

Líquido

Color

Rojo violeta

Incoloro

Peso molecular

269.3 g /mol

60.05 g/mol

Punto de fusión

179  – 182 °C

17 °C

Solubilidad

2.5 g /L a 20 °C poco soluble

602.9 g/L soluble

Intervalo de viraje

Rojo 4.4 – 6.2 Amarillo (pH)

 pH moderadamente ácido de 4.8

pKa

5  .0

4.8  a 25 °C

Estructura

Rombo NFPA

Procedimiento Experimental:

Observación

Explicación

Se agregan 5 mL de la solucion Buffer (Ácido acético y acetato de sodio) en dos tubos de ensaye.

La solución del rojo de metilo con ácido acético no presenta vire, se mantiene en color rojo, por lo cual se obtiene un aumento en la acidez del medio en el que se encuentra el rojo de metilo obteniendo un pH=3, es decir un medio ácido.

Se preparan dos soluciones del indicador de rojo de metilo donde a una solución se le agrega ácido acético (0.1 M) y en la otra solución se le agrega acetato de sodio (0.1 M), a las dos se les agregó agua desionizada para completar el volumen.

A cada solución preparada se le realizó su espectro de absorción en la región visible. Se utilizó un espectrofotómetro UV visible. Dentro del equipo se colocan dos celdas, en una celda se coloca el blanco (agua desionizada) y en la otra se coloca celda la muestra. Al determinar la concentración requerida por el rojo de metilo, se procede a preparar 100 microlitros del rojo de metilo de solución 0.1%.

La solucion del rojo de metilo con acetato de sodio presenta un vire de color rojo hacia amarillo, debido a que ahora el medio sufrirá un cambio pasando de un estado ácido a uno básico, por lo cual se obtiene un pH= 8, es decir un medio alcalino.

Para determinar la dilución requerida para que la absorbancia máxima de la especie ácida y alcalina fuera máximo de uno. Se obtienen mediante el espectrofotómetro los espectros de absorción de las dos muestras del indicador de rojo de metilo. Al agregarse Rojo de Metilo en medio ácido a una solución buffer se favorece a que la mezcla presente características del tipo ácido; por otra parte al agregar Rojo de metilo en un medio alcalino a una solución buffer se propicia a que ésta presente un carácter mayormente básico.

Se agrega a la solución buffer Rojo de metilo, tanto en estado ácido como en estado alcalino. Se procederá a obtener el espectro de absorción para cada solución buffer con su respectivo indicador (rojo de metilo) en medio ácido y alcalino.

En los espectros de absorción para las dos soluciones buffer con su respectivo indicador rojo de metilo (en medio ácido y alcalino) y a su vez diferente pH, muestran que la solución con carácter básico absorbe una menor longitud de onda en comparación de la solución con carácter ácido y se obtiene el punto isosbéstico de dichas soluciones (punto donde se cruzan las curvas del espectro de absorción para las dos soluciones).

Aprende haciendo: Actividades, Resultados, Cuestionario e Informe

1.- Indicar cómo prepararía las siguientes soluciones: a) NaOH 0.1M, con una pureza del 93% PM NaOH: 40 g/mol Pureza: 93 % M: 0.1 M mL= 1L =1000mL PM Pmmol= 1000 40 Pmmol= 1000 Pmmol= 0.04

g= M(Pmmol)(mL)

Considerando la pureza

Sustituyendo:

100 g - 93 g x- 4g

g=0.1M(0.04)(1000mL) g= 4 g

x= 4.3 g

b) Solución amortiguadora ácido Acético/acetato de sodio 0.1M, a pH= 6 con una pureza del 95% del acetato de sodio. Ácido acético CH₃COOH pureza 100% Acetato de sodio CH3COONa pureza 95% Molaridad de la solución = 0.1M pH de la solución = 6 Ka= 1.74x10-5 pKa= 4.76 USANDO ANTILOG +(pH -pKa)

] pH = pKa + log [[Sal ac]

Sustituyendo valores:

6 = 4.76 + log

[Sal ] [ac ]

6 − 4.76 = log

[S ] [ A]

1.24 = log

[S ] [ A]

∴ Antilog (1.24) = 17.378 Molaridad

[SAL] CH3COONa

17.378

0.945

[ÁCIDO] C  H₃COOH

1.000

0.054

𝚺= 18.378

1.0

0.1 mol/L

Peso molecular

VT

0.0945

82

7.749

5.4X10-3

60

0.324

mol/L

g/mol

g/L

Ácido acético CH₃COOH pureza 100% Ensayo 100% - 0.324 g/L 100% - x= 0.324 g/L de CH COOH Valor práctico Acetato de sodio CH3COONa pureza 95% Ensayo 95% - 7.749 g/L 100% - x= 8.156 g/L de CH3COONa Valor práctico c) Solución amortiguadora ácido Acético/acetato de sodio 0.1M, a pH= 5 con una pureza del 75% y una densidad de 1.049g/mL del ácido acético. Ácido acético C  H₃COOH pureza 100% Densidad del Ácido acético = 1.049 g/mL Acetato de sodio CH3COONa pureza 75% Molaridad de la solución = 0.1M pH de la solución = 5 Ka= 1.74x10-5 pKa= 4.76 USANDO ANTILOG +(pH -pKa) ] pH = pKa + log [[Sal ac] Sustituyendo valores

5 = 4.76 + log

[Sal ] [ac ]

5 − 4.76 = log 0.24 = log

[S ] [ A]

[S ] [ A]

∴ Antilog (0.24) = 1.738 Molaridad

[SAL] CH3COONa

1.738

0.635

[ÁCIDO] C  H₃COOH

1.000

0.365

𝚺= 2.738

1.0

0.1 mol/L

Peso molecular

VT

0.0635

82

5.207

0.0365

60

2.19

mol/L

g/mol

g/L

Ácido acético CH₃COOH pureza 75% con densidad de 1.049g/mL  Ensayo 75% - 2.19 g/L 100% - x= 2.92 g/L de CH COOH Valor práctico

=

m  v ∴

V =

V =

m

2.92 g/L 1.049g /mL = 2.7836 mL de CH COOH Valor práctico

Acetato de sodio CH3COONa pureza 100% Ensayo 100% - 5.207 g/L 100% - x= 5.207 g/L de CH3COONa Valor práctico

2.

Indicar que factores influyen en la determinación de pKa.

R= De acuerdo con la importancia de la estructura, los efectos inductivos, la estabilidad del ión y las propiedades del átomo que posee la carga negativa, los factores que influyen en la determinación del pKa son: - Tamaño del átomo que presenta la carga negativa. - Resonancia del ión negativo. - Efecto inductivo de grupos próximos al ión negativo. - Electronegatividad del átomo que presenta la carga negativa.

3.

Escribir las reacciones ácido - base del rojo de metilo.

R=

4.

¿Por qué se hace la lectura a una absorbancia a 530 nm?

R= De acuerdo con el espectro electromagnético visible, esta longitud de onda (530 nm, verde) será la máxima longitud de onda absorbida por el compuesto (Rojo de metilo). 5.

¿Qué especie es la que absorbe a esta longitud de onda y escribe su estructura?

R= Estructura Rojo de Metilo

Descripción La absorbe la especie ácida, la cual tiene una longitud de onda de 530 nm, cuando no hay especie ácida, se empieza la especie básica, por consiguiente no haya absorbancia, ya que solo existe la especie básica y esta especie absorbe a otra longitud de onda, siendo así, no se obtiene una lectura. Un sistema que absorbe 500-530 nm se ve color rojo, ya que absorbe el color verde por lo tanto la especie que absorberá será el Rojo de Metilo. Absorbancia en pH ácido (pH≤4.2): máximo de 530 nm (color rojo) Absorbancia en pH básico (pH≥6.3): mínimo 425 nm (color amarillo)

Diagrama de Secuencia Experimental Ecológica:

(1 punto)

Sesión 5

Informe de la Sesión Experimental 5:

Determinación Espectrofotometrica del pKa

Nombre de los Integrantes del Equipo: 1) Aguilera Garduño Arlene Ximena 2) Becerril Hebrard Francisco Javier 3) Callejas Arriola Grecia Grupo:

3AV1

Sección

1

Número de equipo

12

OBJETIVOS: (0.5 Punto) General: Aplicar una técnica espectrofotométrica para comprender y cuantificar el valor del pKa observando los cambios de color producidos en un indicador ácido-base al variar el pH del sistema. Particulares: ● Aprender los conceptos del pKa y su importancia. ● Relacionar la reactividad química de los indicadores ácido-base. ● Aplicar el conocimiento previo de hacer disoluciones. ● Conocer el manejo de un espectrofotómetro y así como espectrofotométricas.

RESULTADOS (2.0 Puntos) Experimentación con el indicador Rojo de Metilo.

manipular

las

celdas

Gráfica 1. Niveles de absorbancia para la longitud de onda respecto a cada pH. En la experimentación realizada con el indicador de Rojo de Metilo. Se demuestra con la Gráfica 1 que las soluciones con un pH mayormente ácido presentaran una mayor absorbancia a longitudes mayores entre los 500 y 600 nm, y ahora bien las soluciones alcalinas presentaran una mayor absorbancia a longitudes menores (entre 400 y 460 nm) con respecto a las soluciones ácidas. De igual manera se observa que la absorbancia en soluciones ácidas y básicas disminuye cuando la longitud de onda es de 600 nm. En la Tabla 1 y Gráfica 2 se visualizan los resultados obtenidos de los valores de absorbancia para los diferentes pH a diferentes longitudes de onda, mediante los cuales se obtiene el valor de pKa experimental y con el cual poder comparar el valor teórico del pKa para el indicador de rojo de metilo. Dicha comparación entre el valor experimental y teórico del pKa para el rojo de metilo se observa en la Tabla 2, donde la diferencia entre estos valores es muy pequeña, por lo cual los valores son muy cercanos. Tabla 1. Resultados experimentales para el indicador Rojo de Metilo y su determinación del valor de pKa experimental. pH

pH= 3.4

pH= 5.0

pH= 6.6

pKa experimental

= 488

0.15401

0.28274

0.44471

4.90

= 484

0.17455

0.27705

0.40512

4.90

= 460

0.28002

0.25338

0.20121

5.11

-

-

-

Promedio

4.97

Absorbancia

Tabla 2. Valor de pKa experimental y teórico del Rojo de Metilo. Indicador

pKa experimental

pKa Teórico

Rojo de Metilo

4.97

5.1

Gráfica 2. Niveles de absorbancia para la longitud de onda respecto a cada pH para el indicador de Rojo de Metilo.

Experimentación con el indicador Azul de Bromotimol. Se utilizó un espectrofotómetro UV visible, se prosiguió a colocar el rango de trabajo para obtener el espectro siendo de 400 a 650 nm, después se obtiene el espectro de absorción con sustancias donde la solución amarilla con un pH de 1, la solución verde con un pH de 6.9 y finalmente la solución azul con un pH, arrojando el gráfico de cada uno. Al poner el comportamiento de las soluciones en un solo gráfico, se obtiene que en los tres se cruzan en un solo punto, es decir, que a una longitud de onda, sin importar el pH, van a absorber lo mismo, y se conoce como punto isosbéstico. Tabla 3. Datos de la longitud de onda con las diferentes sustancias utilizadas.

λ

A (pH 1)

A (pH 6.9)

A (pH 13)

400

0.472

0.408

0.305

410

0.525

0.429

0.266

420

0.567

0.433

0.201

430

0.586

0.424

0.143

440

0.580

0.405

0.102

450

0.550

0.380

0.089

460

0.498

0.348

0.094

470

0.436

0.314

0.111

480

0.365

0.277

0.140

490

0.296

0.244

0.175

500

0.223

0.221

0.221

510

0.178

0.205

0.271

520

0.137

0.200

0.332

530

0.103

0.204

0.405

540

0.079

0.221

0.491

550

0.065

0.247

0.576

560

0.057

0.280

0.674

570

0.049

0.320

0.777

580

0.046

0.362

0.870

590

0.044

0.407

0.971

600

0.042

0.453

1.065

610

0.040

0.491

1.142

620

0.040

0.494

1.119

630

0.040

0.452

1.048

640

0.043

0.365

0.855

650

0.043

0.262

0.623

660

0.042

0.171

0.405

Gráfica 3. Comportamiento de la longitud de onda contra la absorbancia, mostrando el punto isosbéstico. Al obtener los tres espectros, se eligen dos longitudes de onda de trabajo para hacer la medición de las demás disoluciones. Las longitudes de ondas a trabajar son 440 nm y 560 nm. Tabla 4. Datos de la segunda parte del experimento, permite tanto de manera gráfica cómo calcular el pKa del indicador azul de bromotimol. pH

A (440 nm)

A (560 nm)

1

0.599

0.090

4.5

0.590

0.105

6.2

0.584

0.130

6.59

0.540

0.210

6.9

0.458

0.324

7.2

0.350

0.418

7.59

0.230

0.524

7.9

0.170

0.580

9.1

0.130

0.620

13

0.090

0.654

Gráfico 4. Comportamiento en la determinación del pKa, del pH contra la absorbancia, entre dos longitudes de onda (440 nm y 560 nm). ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS (4.0 Puntos) El azul de bromotimol actúa como un ácido débil en solución. Cuando está protonado en un medio ácido adquiere un color amarillo, a pH neutro es verde, y cuando está desprotonado en un pH alcalino es azul. El punto isosbéstico corresponde a una longitud de onda determinada, cumpliéndose que para esa longitud de onda la absorbancia total de la muestra no cambia aunque esta experimente una reacción química o cambio físico. Así pues, un punto isosbéstico es un valor de la longitud de onda para el que la absorbancia se mantiene constante aunque se modifique el pH. En un espectro UV-visible, la “altura” de la curva (medida en el eje Y) para un valor determinado de longitud de onda (medido en el eje X) es el valor de la absorbancia a esa longitud de onda. Por ejemplo, en el punto isosbéstico de la imagen anterior, que aparece a 500 nm de longitud de onda, la absorbancia es algo mayor de 0,2. Al determinar con el uso de medidas espectrofotométricas de Absorción Atómica, el pKa del indicador Ácido- Base Rojo de metilo, mediante el espectro de absorción de disoluciones que contenían el indicador a diferentes valores de pH. Primeramente se hizo uso del rojo de metilo, un indicador ácido base, que es un compuesto cuya forma ácida y básica presentan distinto color; teniendo uno o más protones que pueden ser cedidos o bien, ser aceptados. El valor del pKa del indicador se determinó experimentalmente, mediante construcción de una gráfica que representa la absorbancia para los diferentes pH de las soluciones buffer empleadas. Los métodos espectrofotométricos , se basan en la medición de las concentraciones de especies en el equilibrio, con el fin de establecer el valor de la constante de disociación, ya que si una especie absorbe luz en diferentes longitudes de onda es posible medir sus concentraciones, seleccionando las longitudes de onda adecuadas (para este caso 488 y 460 nm). El punto isosbéstico indica que solo existen 2 especies en el equilibrio; en algunos casos se presentan en disolución varios puntos isosbésticos por lo que habrían más

de dos especies en el equilibrio. Por lo tanto, de ahí la importancia que tiene el punto isosbéstico, el cual permite facilitar los cálculos de constante de disociación o equilibrio , en este caso, de un indicador. El valor experimental de pKa obtenido es de 4.97 y comparado con el valor de pKa teórico 5.1, se demuestra que es muy cercano el valor experimental al valor teórico En la práctica se obtuvo un pKa experimental de 4.90 a una longitud de onda de 488 nm y un pKa de 4.90 a una longitud de onda de 484 nm,sin embargo, el valor más cercano al pKa teórico (5.1) se logró a 460 nm de longitud de onda (pKa experimental de 5.11).

CONCLUSIONES DE LA PRÁCTICA (2.0 Puntos)

La espectrofotometría de absorción molecular UV / VIS es una técnica útil, sensible y aplicable para la determinación del pKa de indicadores como el rojo de metilo, ya que el indicador puede interactuar adecuadamente con este tipo de radiación del espectro de luz visible. La presencia de un punto isosbéstico o más es fundamental, ya que permite detectar dos o más especies distintas que están en el equilibrio y presentan un mismo coeficiente de extinción molar a una misma longitud de onda ya su vez facilita el cálculo de la constante de disociación del indicador para la determinación de su pKa. Es importante seleccionar longitudes de ondas adecuadas para poder medir las concentraciones de las especies presentes en su forma ácida y básica. Mayor pendiente, mayor sensibilidad. Finalmente, cabe destacar las ventajas y desventajas que tiene el uso de esta técnica de Espectrofotometría molecular de absorción Ultravioleta/visible. Las principales ventajas de esta técnica radican en: es un método de elevada sensibilidad, pudiendo determinar concentraciones de 10 a 5 M, tiene una gran aplicabilidad, es una técnica de selectividad media, dado a que se dan interacciones cuando hay grupos que absorben a la misma longitud de onda. Entre las desventajas posibles de esta técnica, se encuentra una principalmente dada por interferencias de la matriz, en donde las interacciones por partículas interfieren en el paso de la radiación, por ello las disoluciones deben ser exentas de sólidos en suspensión.

BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA: (0.5 Punto) ● ● ● ● ● ●

Ácido acético. (s.f.). Recuperado de https://www.merckmillipore.com/MX/es/product/Acetic-acid-glacial-1000-0,MDA_CHEM-1 01830 DLEP. (2018). ÁCIDO ACÉTICO. Recuperado de https://...