Informe Química Orgánica - Caracterización Fisicoquímica de un Compuesto Orgánico PDF

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Informe acerca de las pruebas llevadas a cabo para identificar las principales características de un compuesto orgánico puro desconocido. ...

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CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DE UN COMPUESTO ORGÁNICO

1. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 1.1. Determinación de constantes físicas Debido a que la muestra asignada a caracterizar (muestra 035) es un sólido, solo se determinó su punto de fusión. Para determinarlo se hizo uso de un fusiómetro electrónico, el cual se configuró con una pendiente de ascenso de temperatura de 1ºC para tener un aumento moderado de la temperatura y así poder obtener resultados más precisos. Seguidamente se registraron las temperaturas a las que la muestra comenzó ( T 1 ) y terminó ( T 2 ) de fundirse; de esta manera, el punto de fusión experimental se estableció como el promedio entre estas dos temperaturas; los resultados fueron los siguientes. p . f .=

T 1 +T 2 100,8 ºC+ 105,7 ºC =103,25ºC = 2 2

El margen ideal entre las temperaturas al utilizar un compuesto puro, como el que se analizo, es de 0,5 - 1ºC entre ellas; en la práctica se observó una diferencia mayor, 4,9ºC, lo cual pudo ser ocasionado porque aunque se configuró una pendiente de 1ºC para que el aumento de la temperatura en el fusiómetro fuera paulatino, esta, sin embargo, aumentaba casi 1ºC cada 2 segundos lo cual era considerablemente rápido y pudo afectar directamente la medición de las temperaturas registradas; de igual manera el tubo capilar pudo haber tenido demasiada cantidad de muestra y esto también pudo afectar la medición. [1]

1.2. Análisis orgánico elemental cualitativo

Las pruebas realizadas en el análisis orgánico elemental cualitativo tienen como objetivo determinar la presencia de algún elemento en la muestra; en esta ocasión se realizaron pruebas de identificación para carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre y halógenos; bromo – cloro - yodo. En la tabla 1 se consignan los resultados obtenidos en cada una de las pruebas llevadas a cabo y seguidamente se detalla el fundamento químico del resultado de cada una de estas. Tabla 1. Pruebas de análisis elemental Átomo por identificar

Resultado

Observaciones Formación de un precipitado blanco (carbonato de bario) en la solución de hidróxido

Carbono

Positivo

de bario cuando entra en contacto con el gas liberado por la mezcla de la muestra con oxido de cobre al calentarse. Formación de gotas de condensación de agua

Hidrógeno

Positivo

en las paredes del tubo de ensayo que contenía el hidróxido de bario. La mezcla tomó un color morado claro al agregar

Nitrógeno

Negativo

sulfato ferroso al 5% al filtrado de la fusión

Azufre 2

Negativo

sódica. La mezcla tomo un color

negro, pero no se presento un precipitado al agregar solución de acetato de plomo al 5% al filtrado, por otro lado, al agregar solución de nitroprusiato de potasio se obtuvo una coloración amarillo pálido. No se formó un precipitado al agregar Halógenos

solución de AgNO3 al 1%

Negativo

al filtrado de la fusión sódica. 1.2.1. Identificación de carbono e hidrógeno por oxidación Esta prueba se fundamenta en oxidar el carbono hasta dióxido de carbono empleando óxido de cobre; las siguientes reacciones describen el proceso que se lleva a cabo durante la reacción. En ellas se describe como se obtiene el dióxido de carbono que en contacto con la solución de hidróxido de bario forma un precipitado blanco y se obtienen además gotas de agua lo cual indica la presencia de hidrogeno. [1] muestra (C , H )( s) +Cu O(s ) ∆CO 2( g ) + H 2 O ( g) + Cu(s) →

C( s) +O 2 ( s) → CO 2(g) 4 H ( s) +O 2 (s) → 2 H 2 O (l ) C O2( g ) +Ba(OH )2(ac) → BaCO 3(s) ↓+ H 2 O (l) En la práctica, este fue el resultado que se pudo observar al analizar la muestra asignada, obteniendo un resultado positivo para ambos elementos. 3

1.2.2. Método de la fusión sódica Usualmente el nitrógeno, el azufre y los halógenos no se pueden ensayar directamente debido a su baja reactividad, por lo que se hace necesario transformarlos en sus formas iónicas; en esta práctica esto realizó tratando a la muestra con sodio metálico, realizando fusión sódica. [1] La ecuación química a continuación describe lo sucedido en esta reacción con los respectivos posibles productos dependiendo de los átomos que tiene la muestra problema. Cabe recordar que al finalizar la fusión sódica el producto se introduce inmediatamente en agua, por esto se obtienen los productos en solución acuosa; esta después es filtrada y este filtrado se utiliza para realizar las pruebas de nitrógeno, azufre y halógenos respectivamente. [1] muestra ( C , H , N , S , X ) ( s) + Na( s) ∆ NaC N (ac) , Na 2 S(ac) , Na X(ac ) , NaCN S(ac) →

1.2.2.1.

Identificación de nitrógeno

Esta prueba indica la presencia de nitrógeno en el analito con la formación del ferrocianuro férrico que tiene una coloración característica azul Prusia, este se genera al agregar solución de sulfato ferroso al 5% sobre el filtrado, calentar y posteriormente agregar solución de cloruro férrico al 5%; las reacciones correspondientes a este proceso se describen a continuación. [1] muestra ( C , N )( s ) + Na (s) ∆ NaC N ( ac) →

1 pequño excesode sodio : Na( s) + H 2 O(l) → Na(OH )(ac)+ H 2 (g) ↑ 2 Fe SO4 (ac)+ NaO H(ac) → Fe OH 2 (s) ↓oxígeno Fe OH 3 (s) ↓ →

2 Na CN (ac) + Fe SO 4 ( ac ) → Fe(CN )2 ( ac) + Na2 SO 4 (ac)

Fe(CN )2( ac) + 4 NaCN ( ac) → Na 4 Fe (CN)6 (ac ) 3 Na4 Fe (CN )6 ( ac) + 4 Fe Cl3 (ac) → Fe 4 [ Fe (CN ) 6 ]3 ( s) ↓+ 12 NaCl (ac)

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azul de Prusia

En la práctica, al realizar la prueba no se presentó la coloración característica, sino en cambio un leve tono morado, por lo tanto, las reacciones previamente descritas no sucedieron y se determinó que el analito no contiene nitrógeno. 1.2.2.2.

Identificación de azufre

1.2.2.2.1.

Con sulfuro de plomo

Si al agregar solución de acetato de plomo al 5% sobre el filtrado de la fusión sódica se observa la aparición de un precipitado oscuro este indica la presencia de azufre en forma de ion sulfuro, una coloración oscura también puede indica la presencia de azufre [1]; la reacción correspondiente se muestra a continuación. CH ¿ COO ¿3¿ ¿ Na2 S(ac) +¿ Al realizar esta prueba con el analito, la solución tomo un color negro, pero no se observo más que algunas trazas en la solución por lo que la prueba no fue concluyente y se requirió realizar una segunda prueba para determinar el resultado final. 1.2.2.2.2.

Con nitroprusiato de sodio

Si al agregar solución de nitroprusiato de sodio se observa la aparición de una coloración rojo – violeta, este indica la presencia

de

azufre

en

la

muestra;

correspondiente se muestra a continuación. [1]

5

la

reacción

Fe(CN ) ¿ NO ¿ 5¿ Na ¿ Na2 S(ac) +¿ Al realizar esta prueba confirmatoria, no se obtuvo la coloración esperada por lo que estableció que definitivamente la prueba era negativa para azufre y las reacciones previamente descritas no se llevaron a cabo al utilizar la muestra problema. 1.2.2.3.

Identificación de halógenos

Para la identificación de halógenos en general, primero se debe acidificar

el

filtrado

agregando

ácido

nítrico

concentrado.

Posteriormente, se añade solución de nitrato de plata al 1% y en caso de formarse un precipitado, este indica la presencia de halógenos en el analito; la reacción correspondiente se muestra a continuación. [1] NaX(ac )+ Ag NO3 (ac) → Ag X (s) ↓+ NaNO3(ac ) Debido a que en el caso de la muestra utilizada no se formo un precipitado, se entiende que no contiene halógenos y por tanto no se procede con las demás pruebas de clasificación para diferenciar específicamente cual halógeno esta presente. 1.2.3. Posibles interferencias Es necesario tener presente que dependiendo de la composición elemental de la molécula analizada existen factores que pueden afectar las pruebas de identificación. En el caso de la prueba para carbono, si la sustancia contiene azufre el óxido de cobre produce gas sulfuroso que en contacto con le hidróxido de bario forma un

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precipitado de sulfito de bario lo cual puede interferir en la identificación del carbono. Por lo tanto, se debe confirmar que hay precipitado de carbonato dejando sedimentar y a ese sedimento agregar gotas de permanganato de potasio, con lo cual el sulfito pasa a sulfato y deja de interferir con la prueba; después de esto se añaden algunas gotas de ácido clorhídrico, lo cual permite una liberación de gases que se recolecta en agua y si se produce un nuevo enturbiamiento se confirma la presencia de carbono. [1] Para la prueba de nitrógeno se pueden presentar varias dificultades, primero algunos compuestos pueden dar su nitrógeno como nitrógeno elemental y algunos otros reaccionan muy lentamente por lo que molestan un poco para arrojar resultados verdaderamente positivos. Segundo cuando la muestra contiene tanto azufre como nitrógeno, la prueba para la formación del ferrocianuro férrico, se puede obtener en vez de la coloración azul de Prusia, una coloración roja debido a la formación de sulfocianuro férrico siendo entonces una prueba positiva para ambos elementos – la reacción se muestra a continuación. [1] CNS ¿3 ( ac )+3 KC l(ac) KCN S (ac) + FeCl3 → Fe ¿

rojo

Si por el contrario se obtiene un precipitado oscuro este indica la presencia de azufre. En caso de agregar accidentalmente un exceso de sulfato ferroso todos los iones cianuro reaccionarían para formar CN ¿ ¿ Fe ¿

por lo que no se formaría el ferrocianuro de sodio y, en

consecuencia, no se obtendría la coloración azul de Prusia. [1]

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Por último, para la identificación de halógenos, en caso de que la muestra contenga átomos de nitrógeno o azufre es necesario, después de agregar el ácido nítrico, asegurarse de calentar suficiente la muestra para eliminar por completo el

HCN y el

H2S

porque en

caso de estar presentes pueden interferir con la prueba. [1] 1.3. Clasificación por solubilidad Las pruebas de clasificación por solubilidad señalan, además de la polaridad de la molécula, la presencia de grupos funcionales ya que estos determinan, en gran medida, la solubilidad de la molécula. El orden de los ensayos se determina según un organigrama como la figura 1, que detalla el orden de las pruebas a realizar y los posibles grupos funcionales que contiene la molécula según los resultados obtenidos. Figura 1. Organigrama de solubilidad compuestos orgánicos

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[2] Con la muestra 035 los resultados fueron los siguientes: insoluble en agua, soluble en solución de hidróxido de sodio al 5% y finalmente insoluble en solución de bicarbonato de sodio al 5%, con lo cual se obtuvo que la molécula podía ser un acido orgánico débil, un compuesto nitro con α hidrógenos o un compuesto con alguna de las siguientes funciones orgánicas: fenol, enol, oxima, imida, sulfamida o tiofenol. De manera general se entiende que lo semejante disuelve lo semejante, es decir, polar disuelve polar y apolar disuelve apolar; sin embargo, la mayoría de las moléculas orgánicas tienen tanto una parte polar como una apolar, siendo así se entiende que a medida que aumenta la parte del hidrocarburo en la molécula la molécula es menos polar.[3] Adicionalmente, es necesario tomar en cuenta la constante dieléctrica de los solventes

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utilizados, ya que esta describe el momento dipolar de dicha sustancia. [3] En la tabla 2 se consignan las constantes dieléctricas de los solventes empleados en la práctica. Tabla 2. Constantes dieléctricas solventes activos. Disolvente Agua Hidróxido de sodio Bicarbonato de sodio

Fórmula H2 O NaOH NaHCO3

Constante dieléctrica 80.1 57.5 1.8

[1-4] La constante dieléctrica es la cantidad de energía electroestática que puede ser almacenada por unidad de volumen y unidad de gradiente de potencial, a menor constante dieléctrica, mayor apolar va a ser la molécula. Para que un soluto se disuelva en un líquido, se necesita que el segundo separe las moléculas del primero y facilite su solvatación, este proceso depende tanto de la constante dieléctrica del solvente como de la polaridad de las moléculas del soluto y el disolvente. [5] El efecto de la constante dieléctrica en la solubilidad se puede ejemplificar si se intenta disolver un compuesto apolar en un solvente polar; esto es intentar separar cargas opuestas en un medio de constante dieléctrica baja, por lo tanto, no es fácil, se hace difícil solubilizar dicho soluto en el solvente. [3] Al realizar las pruebas con la muestra, en el caso del agua es muy posible que se evidenciara que la molécula no es fácilmente ionizable y por lo tanto no se solubiliza en agua como se pudo evidenciar; las sustancias no iónicas solo son capaces de disolverse en agua si forman puentes de hidrógenos, estos se forman solo cuando un átomo de hidrogeno esta entre dos átomos electronegativos, sin embargo, esto tampoco sucedió para el caso del analito. Al ser esta soluble en solución de hidróxido de sodio, se puede inferir que esta es capaz de donar un protón a la base donde se halla solubilizada.

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Los anillos aromáticos como son muy estable y es ácido débil, al reaccionar con una base fuerte como lo es el hidróxido de sodio forma un ion- dipolo ya que el más electronegativo se une con el hidrogeno α. [1] 1.4. Análisis orgánico funcional cualitativo Las pruebas realizadas en el análisis orgánico funcional cualitativo tienen como objetivo determinar la presencia de funciones orgánicas en la estructura de la muestra; en esta ocasión se realizaron pruebas de identificación para alquenos y alquinos, ácidos, alcoholes, fenoles, y aromáticos; estas fueron seleccionadas teniendo en cuenta los resultados previamente obtenidos en las pruebas de solubilidad y no se realizaron pruebas para aminas debido a que se conocía que la muestra no tenia átomos de nitrógeno. En la tabla 3 se consignan los resultados obtenidos en cada una de las pruebas llevadas a cabo y seguidamente se detalla el fundamento químico del resultado de cada una de estas. Tabla 3. Pruebas de análisis funcional Función por identificar

Resultado

Observaciones Desaparición del color purpura y la formación de un precipitado

Alquenos y alquinos

Positivo

oscuro al agregar el permanganato a la muestra solubilizada en

Ácidos

Positivo (ácido débil)

etanol. Se observo una muy leve formación de burbujas al agregar la solución de bicarbonato de sodio y se obtuvo un

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color verde claro al utilizar papel tornasol. Formación de un precipitado negro al agregar la solución de Alcoholes

Negativo

dicromato de potasio y el ácido sulfúrico a la muestra solubilizada en acetato de etilo. Coloración roja al agregar solución de

Fenoles

Positivo

cloruro férrico a la muestra solubilizada en etanol. Aparición de chispas

Aromáticos

Positivo

amarillas al acercar la muestra a la llama del mechero.

1.4.1. Identificación de alquenos y alquinos Para identificar instauraciones se utilizó la prueba de Baeyer, en donde al mezclar permanganato de potasio con la muestra solubilizada en etanol se obtuvo la siguiente reacción que tiene como característica la desaparición del color purpura característico del permanganato de potasio y la aparición de un precipitado oscuro [3-6].

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−¿ →C−C + Mn O 2 C=C + Mn O 4¿ OH Oxidación subsecuente

C=OO =C Es necesario recalcar que esta prueba puede arrojar falsos positivos

dado que todas las sustancias fácilmente oxidables dan esta prueba, como por ejemplo algunos aldehídos, alcoholes, fenoles o aminas aromáticas. [6] Por lo tanto, si se sospecha que alguna de estas funciones esta presente en la muestra se debe ser muy cauteloso a la hora de realizar las observaciones. 1.4.2. Ensayo de acidez Al realizar esta prueba con la muestra problema se obtuvo un resultado positivo pero muy leve, ya que la reacción fue poco significativa; esto se puede deber a que la muestra analizada se encontraba en fase sólida, por lo que la obtención del dióxido de carbono puede no ser tan obvia. [6] De igual forma, la reacción que sustenta la aparición de burbujas de C O2 es la siguiente. +¿+H 2 CO3 (inestable ) ¿ −¿ Na ¿ RCOOH +NaH CO 3 → RCO O

H 2 CO 3 → CO 2+ H 2 O

1.4.3. Ensayo de alcoholes Al realizar el ensayo con la muestra no se obtuvo el resultado que indicará un resultado positivo, sin embargo, en caso de haberse presentado una suspensión verdosa, debido al cambio de estado de

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oxidación del cromo; la reacción hubiera sido la siguiente (se ejemplifica con el butanol). K2Cr 2O 7 3

OH

3

O

+

2 KCrO2

H2 SO4

Cabe resaltar que los alcoholes terciarios no dan esta coloración y que, en caso de estar presentes funciones como fenoles o aldehídos, que son funciones fácilmente oxidables, estas pueden interferir con la prueba ya que también reaccionan con el dicromato de potasio. [6] 1.4.4. Identificación de fenoles Los fenoles al reaccionar con el cloruro férrico forman complejos coloreados con el ion

+3

Fe

, usualmente rojo, azul, purpura o verde,

este varía dependiendo del fenol. La reacción que se lleva a cabo se ejemplifica a continuación.

Cabe notar que no todos los fenoles dan color con este procedimiento, por lo que se hace necesario realizar otras pruebas en caso de obtener un resultado negativo para confirmar el resultado. [3] 1.4.5. Ensayo de aromáticos Para determinar la presencia de esta función se realizo una prueba de ignición, a partir de las observaciones realizadas se determinó que los resultados de esta prueba concuerdan con un compuesto aromático puesto que la llama evidenciada tenia un color amarillento y esto es

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+

3 H2O

característico de los compuestos con un alto grado de insaturación. [36] Finalmente, se concluye que a partir de todas las pruebas realizadas y la caracterización preliminar de la muestra 035, la función más probable para este analito es un fenol, específicamente algún isómero del naftol. Esto se debe principalmente a los resultados de las pruebas de solubilidad, que fueron bastante concluyentes y se pudo inferir que el compuesto tenia un grado de acidez, lo que también se confirmo en las pruebas de grupos funcionales. Puesto que las pruebas para aromaticidad y fenoles fueron bastante evidentes y además se obtuvo un resultado tenue para ácidos (lo cual manifiesta que la molécula puede tener una leve acidez), esto apunta a un compuesto fenólico. Adicionalmente, se considera que el resultado que en primer momento fue positivo para alcanos y alquenos verdaderamente fue un falso positivo debido a la facilidad de oxidación del fenol.

2. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Martínez, J. Análisis Orgánico Cualitativo. Bogotá D.E. Universidad Nacional de Colombia. 1982. pp 20 – 104. [2] Espitia, Y. Guía de laboratorio. Caracterización fisicoquímica de un compuesto orgánico. Chía. Universidad de la Sabana. 2019 [3] Shriner, R.; Fuson, R; Curtin, D. Identificación sistemática de compuestos orgánicos. Limusa. 2005. pp 75 – 190. [4] FlowLine. Dielectric Constant [en línea] < https://www.flowline.com/dielectricconstant/> [citado en 19 de Septiembre de 2019] [5] Neira, M.; Jiménez, F.; Ponce de León, L. Influencia de la constante dieléctrica en la solubilización del diazepam. 1980. (1909 - 6356) :37 – 61.

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[6] Pavia, D.; Lampman, G.; Kriz, G.; Engel, R. A Smal...