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síntesis del ácido fórmico...

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Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Química Orgánica

Síntesis del Ácido Fórmico Sarali Quintero 23.252.480

Camila Rivera 24.808.657

Fecha realización de la practica: 20/01/20; Fecha entrega del informe: 27/01/20

RESUMEN En la siguiente práctica se realizó la síntesis del ácido fórmico a partir de la descomposición de ácido oxálico en presencia de calor con desprendimiento de CO2

utilizando la glicerina como catalizador y estabilizador de la reacción. Se

ejecutó una separación del producto obtenido por destilación simple. El proceso consistió en calentar el glicerol para deshidratarlo hasta que alcanzara una temperatura de 100°C con el fin de reducir el contenido de agua para optimizar la reacción venidera. Luego se inicializó la destilación repitiendo el proceso dos veces, agregando la glicerina deshidratada en un balón con cargas de ácido oxálico de 11,56 g y 11,40 g respectivamente en cada ocasión. En la primera destilación se recogió un destilado de 3ml aproximadamente por debajo de los 110°C y para la segunda destilación se obtuvo un volumen total de 8ml de destilado por 22,96 g de ácido oxálico total empleado. Se tomo una alícuota de 5mL y se tituló con 8,3mL de NaOH al 2N obteniéndose una concentración de 3,32 N y se dando como resultado un rendimiento del proceso con respecto al ácido fórmico de 19,565%.

INTRODUCCIÓN El ácido fórmico, también conocido bajo el nombre de ácido metanoico, es un ácido de la química orgánica, que se encuentra constituido por un carbono, por lo cual, es uno de los ácidos orgánicos más simples que podemos encontrar. En cuanto a su fórmula química, ésta es bastante simple, pues contiene el grupo funcional ácido, unido a un hidrógeno, es decir, CH2O2. Entre algunas de sus características está que es soluble en agua, debido a la corta cadena carbonada de su estructura, posee un olor bastante irritante y presenta un punto de ebullición cercano al del agua, por ello es conveniente realizar el calentamiento con precaución. Este ácido es el causante de que las picaduras de hormigas y algunas abejas, causen un ligero escozor. Se encuentra presente de manera natural en la miel y en algunas plantas (las cuales tienden a picar). La primera vez que se pudo sintetizar el ácido fórmico fue en e año 1831, por el químico Pelouze, el cual partió de reacciones de ácido cianhídrico, ácido clorhídrico y ácido sulfúrico concentrado, en la actualidad se sigue usando dicho método junto con otros como el llevado a cabo en la práctica presente, ácido fórmico a partir de la síntesis del ácido oxálico con glicerol. Como característica general de este ácido se conoce, que el grupo carboxilo es el responsable de otorgar un valor de pKa de 3,75 de tal forma su pH puede variar entre cero y 14. Es importante señalar su disociación en agua, tal como se muestra a continuación. HCOOH + H2O → HCOO- + H3O+ Al ser un ácido fuerte, incluso de manera natural, es debido tener en cuenta su buena manipulación, ya que es muy irritante, al tener contacto con la piel, puede causar quemaduras graves con ampollas, mientras que una exposición prolongada a la inhalación del mismo ocasiona problemas respiratorios. Es un compuesto que reacciona de forma violenta con diversas sustancias oxidantes, lo que puede dar lugar a incendios. Los usos y aplicaciones del ácido fórmico son amplios como, por ejemplo, es usado para retirar los pelos que se encuentran en

el cuero de animales, es conocido como fardo cuando se busca preservar pasto y es usado para evitar la mala digestión del ganado. En cosmética y farmacia también tiene un uso amplio. Ahora bien, el ácido oxálico es un ácido dicarboxílico cuya formula molecular es H2C2O4 y es considerado como unas tres mil veces más potente que el ácido acético, ya que el doble anión que posee (denominado oxalato) se comporta como un agente reductor y como un agente quelante. Por lo que existen numerosos iones metálicos que pueden formar precipitados insolubles con el oxalato. En cuanto al glicerol, también conocido como glicerina es un alcohol que contiene tres grupos hidroxilos en su estructura, es incoloro y posee una alta viscosidad a temperatura ambiente. Los usos industriales para la glicerina son muy extensos, abarcan desde los jabones de tocador hasta los anticongelantes. La síntesis del ácido fórmico a partir del ácido oxálico, se realiza en presencia de glicerol a temperaturas moderadas, ya que este último actúa como un catalizador para la reacción y como un estabilizador del ácido fórmico formado, debido a su presencia, es necesario añadir calor para que la reacción ocurra. En cuanto al mecanismo, se tiene que esta ocurre en tres etapas, las cuales se desglosan a continuación: 1. Esterificación, aquí ocurre la protonación de un grupo carbonilo del ácido oxálico, activándolos así para un posterior ataque nucleofílico por parte del glicerol y generando un hidrato de éster, finalmente se forma un monoéster oxálico de glicerol (l) por medio de la deshidratación del hidrato de éster previamente formado. 2. Descarboxilación, en esta etapa el monoéster antes mencionado se descompone por acción del calor añadido, lo cual deriva a su nombre, desprendiendo de esta forma dióxido de carbono y formando el monoéster fórmico de glicerol (ll)

3. Hidrólisis ácida, finalmente en esta etapa, se lleva a cabo la protonación del monoéster fórmico para una posterior adición nucleofílica de una molécula de agua al grupo carbonilo y un equilibrio acido-base para convertir al glicerol en un mejor grupo saliente, para así poder expulsarlo. Al finalizar la síntesis se obtiene como producto el ácido fórmico y glicerol, el cual se reutiliza para generar más ácido fórmico a partir de más cantidad de ácido oxálico, como se ha de hacer en la práctica. Es importante señalar que, tanto la esterificación como la hidrolisis acida son procesos reversibles, cuyas constantes de equilibrio no suelen ser muy grandes, por tal razón para lograr el desplazamiento hacia la derecha se cuida que tanto en los compuestos a emplear, como en los instrumentos, no haya existencia de agua.

Tabla 1. Propiedades Físicas de los compuestos Compuesto

Peso

Punto de

Densidad

Solubilidad

Ácido Fórmico

Molecular 46,03 g/mol

Ebullición 101 °C

1,2183

Agua, Etanol Agua Esteres

Ácido Oxálico Glicerol

90,03 g/mol 92,1 g/mol

365 °C 290 °C

g/cm3 1,9 g/cm3 1,26 g/cm3

Fenolftaleína

318, 32

-

1,28 g/cm3

orgánicos Agua

Hidróxido de

g/mol 40 g/mol

1390 °C

2,1 g/cm3

Agua

Sodio Permanganat

158 g/mol

240 °C

2,7 g/cm3

caliente Agua

o de Potasio

OBJETIVOS -

Sintetizar ácido fórmico a partir de ácido oxálico.

-

Calcular el rendimiento del proceso.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Se procede a instalar el equipo de destilación en cual se llevará a cabo la práctica (ver figura 1). 2. Añadir en un balón de 100 ml de capacidad 12,5 g de glicerol y calentar hasta alcanzar una temperatura aproximada de 100°C, esto se hace con la finalidad de deshidratar la glicerina, ya que la reacción para formar el monoéster produce agua y un exceso de ella es desfavorable para la obtención del ácido fórmico, además se tiene una disminución del rendimiento. 3. Se deja enfriar el glicerol a temperatura ambiente, con la intención de agregar 11,25 g de ácido oxálico anhídrido. 4. Se calienta la mezcla hasta que la temperatura suba unos 115°C para luego disminuir la llama y dejar calentar hasta obtener una temperatura de 130°C, el destilado se recolecta en un cilindro graduado. 5. Cuando se alcance la temperatura de 130°C, se apaga y se deja enfiar un poco para luego repetir el procedimiento, juntando ambos destilados. 6. Para conocer el porcentaje de ácido fórmico en el destilado, se procede a realizar una titulación con la base hidróxido de sodio, previamente añadiendo dos gotas de fenolftaleína, empleando para ello 5 ml de destilado.

7. Para reconocer el ácido fórmico, se neutraliza 1 ml de destilado con hidróxido de sodio al cual se le agregan 1 o 2 gotas de permanganato de potasio, donde el cambio de color indica que hay presencia de ácido carboxílicos.

Figura 1. Equipo de destilación

RESULTADOS Y OBSERVACIONES Siguiendo el procedimiento experimental antes expuesto, obtenido los siguientes resultados: 

A medida que el calentamiento de a mezcla avanza, se puede notar como

ascienden los vapores del compuesto más volátil, los cuales transcurrido un tiempo aproximado de 10 minutos, comienzan a condensar al pasar por el refrigerante. La primera gota de destilado se obtiene a una temperatura de 98 °C a la cual la destilación se vuelve constante.



Al final de la primera destilación, a la muestra residual que quedó en el

balón se le agregaron 12 g de ácido oxálico, con la intención de repetir el

procedimiento y obtener más destilado. Al finalizar la segunda destilación se pudo notar un ligero cambio de color de la muestra en el balón. El destilado final ocupaba un volumen de 8ml. Al momento de realizar la titulación con 5mL de destilado, se ocupó un



volumen de titulante de 8,3 ml. Para reconocer la presencia de ácido fórmico, se neutralizó con 1 ml de



titulante y se le agregaron dos gotas de KMnO4, lo cual generó un cambio ligero de color, pasando de ser incoloro a un color ligeramente marrón.

Tabla 2. Datos y resultados experimentales obtenidos: Masa 1

Masa 2

Masa

Ácido

Ácido

glicerina

Oxálic

Oxálic

(gr)

o

o

(gr)

(gr)

11,56

11,40

12,51

Destilad o Final (ml) 8

Vol. 1er

2do

Titulante

Destilad

Destilad

NaOH

o (ml)

o (ml)

(2N) añadido

3

5

8,3

A partir de los datos y resultados obtenidos en la Tabla 2, procedemos a realizar los cálculos pertinentes para calcular el rendimiento del proceso:

-

Calculo de la concentración de ácido fórmico en el destilado: V 1 × N 1 = V 2 × N2 N1 =

8, 3 m l × 2N = 3,32 N 5mL (En el caso del ácido fórmico: M 1 = N 1 =3, 32 M )

-

Cálculo del ácido fórmico experimental:

a) Moles de ácido fórmico en el volumen destilado: M =

ηácido fórmico Lsolución

η ácido fórmico = 3, 32 M × 0,00 8 L = 0,02656 mol

b) Cálculo de la masa experimental de ácido fórmico:

m experimental = 0,02656 mol × 46,03

g mol

m experimental = 1,223 g

-

Cálculo del ácido fórmico teórico en base a la glicerina:

a) Moles de glicerina: η=

η =

m PM 12, 51 g = 0,1358 mol g 92,1 mol

b) Moles teóricos de ácido fórmico por estequiometria: η = 0,1358 molglicerina ×

1 mol ácido fórmico 1 mol glicerina

η = 0,1358 mol

-

Cálculo de la masa teórica: m teórica = 0,1358 mol × 46,03

g mol

m teórica = 6,251 g

-

Cálculo del rendimiento teórico en base a la glicerina:

%Rendimiento =

m teó rica ácido fórmico ×100 m total glicerina

% Rendimiento =

-

6, 251 g ×100 = 49,968% 12,51 g

Cálculo del rendimiento real del ácido fórmico:

% Rendimiento =

m experimental ×100 m teórica

% Rendimiento =

1, 223 g ×100 = 19,565 % 6, 251 g

ANALISIS DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

ANEXO -

Cuadro comparativo de los datos obtenidos por los otros grupos: Masa

Destilado

1er

2do

glicerina

Final

Destilado

Destilado

(gr)

(ml)

(ml)

(ml)

12 2,66 12,69 12,22 12,54 12,59

9 7 8,5 7,5 8 9

3,5 3 3,5 2,5 3 3

5,5 4 5 5 5 6

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Vol. Titulante NaOH (2N) añadido 5,9 4 8 7 5,3 6,2...