Labo N°6 - Sintesis de Acido Acetico PDF

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Laboratorio virtual de quimica organica II...

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UNIVERSIDAD CATÓLICA BOLIVIANA “SAN PABLO” Laboratorio de Química Orgánica II QMC-122

Facultad de Ingeniería Semestre: I-2021

SÍNTESIS DE ÁCIDO ACÉTICO Practica N° 5

Diana Medrano Sauma Dra. Camila Isabel Palma Tovar 14:15 – 16:00 30/03/2021

I. Objetivos 1.1. Objetivo General 

Definir y evaluar químicamente las propiedades de los ácidos carboxílicos.

1.2. Objetivos Específicos    II.

Explicar el mecanismo de reacción de la síntesis de ácido acético. Evaluar la reactividad de los ácidos carboxílicos mediante las pruebas de Carbonato de Sodio y Yodato/Yoduro. Realizar los cálculos pertinentes a la práctica. Fundamento Teórico

ÁCIDO ACÉTICO El ácido acético también llamado ácido etanoico o ácido metilencarboxílico, es un ácido orgánico de dos átomos de carbono, se puede encontrar en forma de ion acetato. Su fórmula es 𝑪𝑯𝟑 − 𝑪𝑶𝑶𝑯 (𝑪𝟐𝑯𝟒𝑶𝟐 ), siendo el grupo carboxilo es el que le confiere las propiedades ácidas a la molécula. Este es un ácido que se encuentra en el vinagre, siendo el principal responsable de su sabor y olor agrios. De acuerdo con la nomenclatura IUPAC se denomina sistemáticamente ácido etanoico.

Figura N° 1 – Estructura del ácido acético. ACIDEZ DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS La propiedad más característica de los ácidos carboxílicos es la acidez del hidrógeno situado sobre el grupo hidroxilo. El pKa de este hidrógeno oscila entre 4 y 5 dependiendo de la longitud de la cadena carbonada.

Figura N° 2 – Evaluación de la acidez de los ácidos carboxílicos.

Los ácidos carboxílicos son ácidos relativamente fuertes ya que estabilizan la carga de su base conjugada por resonancia. Los sustituyentes atrayentes de electrones aumentan la acidez de los ácidos carboxílicos, son grupos de elevada electronegatividad retiran carga por efecto inductivo del grupo carboxílico, produciendo un descenso en el pKa del hidrógeno ácido.

Figura N° 3 – Estructura del ion acetato. (Izquierda). Niveles de pKa para diferentes ácidos carboxílicos (Derecha). El efecto inductivo aumenta con la electronegatividad del halógeno, con la proximidad del halógeno al grupo carboxílico y con el número de halógenos. Los ácidos carboxílicos pueden desprotonarse con bases, como NaOH, para formar las sales de carboxilato. Estas sales son nucleófilos aceptables y pueden actuar en mecanismos de tipo SN2.

Figura N° 4 – Formación de sales de carboxilato. CARACTERISTICAS DEL ÁCIDO ACÉTICO Solubilidad: Dado que el ácido acético tiene un grupo polar (-COOH) y uno apolar (-CH3) en su composición molecular, se trata de una sustancia ambigua respecto a sus disolventes. Por ejemplo, es soluble en agua, pero también en la mayoría de las sustancias orgánicas, como ciertos éteres. Disolvente: En éste se pueden diluir compuestos como el fósforo y el azufre con facilidad. Es un líquido hidroscopico, esto significa que es un ácido compuesto que tiene la capacidad de atraer y absorber la humedad en el ambiente que lo circunda, además de ser un compuesto incoloro y que no refleja la luz. Tiene un olor punzante muy parecido o representativo del vinagre, su punto de ebullición es de 118,05 °C y un punto de fusión de 16,6 °C. El ácido acético concentrado es corrosivo y, por tanto, debe ser manejado con cuidado apropiado, dado que puede causar quemaduras en la piel, daño permanente en los ojos, e irritación a las membranas mucosas. Estas quemaduras pueden no aparecer hasta horas después de la exposición. Los guantes de látex no ofrecen protección, así que deben usarse guantes especialmente resistentes, como los hechos de goma de nitrilo, cuando se maneja este compuesto. El ácido acético concentrado se enciende con dificultad en el laboratorio. Hay riesgo de flamabilidad si la temperatura ambiente excede los 39 °C (102 °F), y puede formar mezclas explosivas con el aire sobre esta temperatura. Los peligros de las soluciones de ácido acético dependen de su concentración.

El ácido acético tiene muchas aplicaciones de manera química como industrial, una de ellas es como condimento en el vinagre, se emplea en la fabricación de esteres o esencias especiales, fijador de colores, disolvente fuerte, precursor en la obtención de acetona, acetato, aspirina y alguno otros derivados. Así también como un pesticida para el control de larvas y huevos de polillas de la cera. Antiguamente era útil en el revelado de fotografías en blanco y negro, era utilizado en una solución muy débil como baño de paro al sumergirse en él el material revelado, se neutralizaba la alcalinidad del baño revelador y se detenía el proceso; posteriormente el baño fijador eliminaba el resto de material no revelado. REACCION GENERAL DE LA SÍNTESIS DE ACIDO ACÉTICO Protonación de una sal Una base fuerte puede desprotonar completamente a un ácido carboxílico. Los productos que se obtienen son el ion carboxilato, y el catión procedente de la base y del agua. La combinación de un ion carboxilato y un catión es una sal de un ácido carboxílico. }

Figura N°5 - Reacción de protonación de una sal. Debido a que los minerales son más fuertes que los ácidos carboxílicos, la adición de un ácido mineral convierte una sal de ácido carboxílico de nuevo al ácido carboxílico original.

Figura N°6 - Reacción de Acetato de sodio y Ácido clorhídrico para producir Ácido acético. Otros métodos para sintetizar ácido acético: Se obtiene por síntesis y por fermentación bacteriana, aportando un 10 % de la producción mundial. El 75% obtenido en la industria química es preparado por carbonilación del metanol, otros métodos alternativos aportan el resto. Oxidación de acetaldehído Antes de la comercialización del proceso Monsanto, la mayor parte de ácido acético se producía por oxidación del acetaldehído. Este permanece como el segundo método más importante de fabricación, aunque no es competitivo con la carbonilación del metanol. El acetaldehído puede ser producido por oxidación del butano o nafta ligera, o por hidratación del etileno. Cuando el butano o la nafta ligera son calentados con aire en la presencia de varios iones metálicos, incluyendo los de manganeso, cobalto y cromo; se forma el peróxido y luego se descompone para producir ácido acético según la ecuación química: 2𝐶4 𝐻10 + 5𝑂2 → 4𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 + 2𝐻2 𝑂 Generalmente, la reacción se lleva a cabo en una combinación de temperatura y presión diseñadas para ser lo más caliente posibles mientras se mantiene al butano en fase líquida. Unas condiciones

de reacción típicas son 150 °C and 55 atm. Se pueden formar subproductos, que incluyen a la butanona, acetato de etilo, ácido fórmico y ácido propiónico. Estos subproductos también son de valor comercial, y las condiciones de reacción pueden ser modificadas para producir más de ellos si son económicamente útiles. Oxidación del etileno El acetaldehído puede ser preparado a partir del etileno por medio del proceso Wacker, pero cabe mencionar que no puede ser oxidado. Más recientemente se ha comercializado una conversión del etileno a ácido acético más barata y en una sola etapa por la compañía química Showa Denko, que abrió una planta de oxidación de etileno en Oita, Japón, en 1997. El proceso está desencadenado por un catalizador metálico de paladio. Fermentación acética La fermentación acética es la reacción de un género de bacterias aeróbicas, que transforma el alcohol etílico en ácido acético, la sustancia característica del vinagre. La fermentación acética del vino produce el vinagre debido a un exceso de oxígeno y es uno de los fallos del vino, un proceso que degrada sus cualidades. La fermentación acética es un área de estudio dentro de la cimología. Aunque es una fermentación en el sentido original de la palabra, un proceso que partiendo de un azúcar produce ácidos, gases o alcohol, se aparta de la regla en que es un proceso aerobio, es decir, que requiere oxígeno. REACCIÓN DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS CON CARBONATO DE SODIO Los ácidos carboxílicos reaccionan con bases para formar sales. En estas sales el hidrógeno del grupo OH se reemplaza con el ion de un metal, por ejemplo, Na+. De esta forma, el ácido acético reacciona con bicarbonato de sodio para dar acetato de sodio, dióxido de carbono y agua. 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 + 𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3 → 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝑁𝑎 + 𝐶𝑂2 + 𝐻2 𝑂 Los grupos carboxilos reaccionan con los grupos amino para formar amidas. En el caso de aminoácidos que reaccionan con otros aminoácidos para dar proteínas, al enlace de tipo amida que se forma se denomina enlace peptídico. Igualmente, los ácidos carboxílicos pueden reaccionar con alcoholes para dar ésteres, o bien con halogenuros para dar halogenuros de ácido, o entre sí para dar anhídridos. Los ésteres, anhídridos, halogenuros de ácido y amidas se llaman derivados de ácido. Un ácido carboxílico transfiere un protón al anión bicarbonato para dar ácido carbónico, el cual se halla en equilibrio con el dióxido de carbono sólido y el agua. El carboxilato sódico es una sal soluble en agua. La descarboxilación del bicarbonato se reconoce por la efervescencia al liberar el dióxido de carbono.

Figura N° 7 – Formación de burbujas en la prueba de Carbonato de Sodio con Ácido acético. REACCION DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS CON YODATO/YODURO (ALMIDON) Esta prueba sirve para distinguir los ácidos relativamente fuertes de los ácidos carboxílicos y se basa en reacción que se realiza en medio débilmente ácido, ocurre rápidamente liberando yodo el

cual se detecta fácilmente con almidón formando un complejo azul. Se basa en la siguiente reacción: 𝑰𝑶𝟑 + 𝟓𝑰 + 𝟔𝑯 → 𝟑𝑰𝟐 + 𝟑 𝑯𝟐 𝑶

Figura N° 8 - Formación del complejo azul de almidón de la prueba de Yodato. El almidón está constituido esencialmente por una mezcla de polisacáridos conformada por amilosa y la amilopectina, y una fracción minoritaria (de 1% a 2%) de conformación no glucosídica. La mayoría de los almidones en su estructura glucosídica está conformada por 20% de amilosa, y el restante 80% de amilopectina. La amilosa es esencialmente un polímero, en el cual las unidades de anhidro glucosas están presentes y unidas en mayor parte por enlaces glucosídicos α(1-4) y un leve grado de ramificación en enlaces α(1-6).

Figura N° 9 – Estructura de la amilosa. (Izquierda). Estructura de la amilopectina. (Derecha) III.

Materiales

El laboratorio se realizó de manera virtual por lo cual se utilizará el simulador “CloudLabs”. El siguiente link te llevará al simulador usado: https://lti.servercloudlabs.com/lti_launcher/getObject?object_id=731 MATERIALES           

Balón Soporte universal Espátula Columna de fracción Condensador Cristalizador Matraz Erlenmeyer Tapón y mangueras Termómetro Pipeta y propipeta Tubos de en ensayo

REACTIVOS    

Acetato de Sodio (61% pureza) Ácido sulfúrico (6M) Carbonato de Sodio. Yodato / Yoduro

Figura N° 8 - Equipo formado para la elaboración de la práctica de laboratorio. IV.

Procedimiento

Para la parte experimental y las pruebas correspondientes se procedió a realizar los siguientes pasos:

a. Se ingresó al link mencionado anteriormente en “Materiales”. b. Se analizó la situación establecida por la docente. Para conocer un poco más acerca de los reactivos utilizados en la práctica, se explicará de manera breve como se forman los reactivos para las pruebas: Preparación del yodato/yoduro en almidón: Existe una posible formar de preparar este compuesto de manera casera: Disolver 5,00 g de yoduro de potasio (KI) y 0,268 g de yodato de potasio (KIO) en 200 ml de agua destilada. Agregue 30 ml de ácido sulfúrico 3 M. Verter esta solución en una probeta de 500 ml y diluir hasta un volumen final de 500 ml con agua destilada. Mezclar la solución. Transferir la solución a un vaso de precipitados de 600 ml. Etiquete el vaso de precipitados como su solución de yodo. agregue 0.50 g de almidón soluble a 50% de agua destilada casi hirviendo. Mezclar bien y dejar enfriar antes de usar. Preparación de la concentración 6M de Ácido sulfúrico Primero que nada, el ácido sulfúrico es muy peligroso, y a la concentración que se desea preparar debe ser previamente calculada. Esencialmente 1 mol (m) de ácido tiene 2 normales (n) lo que se debe hacer es disolver en 1000 ml de agua 3 moles de ácido. Cada mol de ácido sulfúrico pesa 60 gramos, con lo cual se deberá disolver 180 gramos. Sin embargo, este ácido no viene, generalmente, como sustancia sólida. Es muy probable que se pueda conseguir una solución de mayor concentración y diluirla hasta que quede 6 N o 6M (6 moles por litro). Se puede leer los rótulos de las sustancias que se vaya a utilizar, porque siempre indican cuantos gramos de Ácido sulfúrico contiene.

4.1. Procedimiento Experimental

4.2. Pruebas de identificación

V.

Tabla de datos

Figura N° 9 - Datos generados en la práctica de laboratorio. VI. 

Cálculos y resultados Determinar cual es el reactivo limitante y en exceso en la reacción de formación del ácido acético. 2𝐶𝐻3 − 𝐶𝑂𝑂(−)(+)𝑁𝑎 + 𝐻2 𝑆𝑂4 ↓ [𝑆𝑂4 (2 −) + 2𝐻(+)] ↓ 2𝐶𝐻3 − 𝐶𝑂𝑂𝐻 + 𝑁𝑎2 𝑆𝑂4

7 𝑔 𝑑𝑒 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) ∗

61 𝑔 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) 1 𝑚𝑜𝑙 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) 2 𝑚𝑜𝑙 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜) ∗ ∗ = 0.052 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜) 100 𝑔 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) 82 𝑔 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) 2 𝑚𝑜𝑙 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜)

12 𝑚𝑙 𝑑𝑒 𝐻2 𝑆𝑂4 ∗

2 𝑚𝑜𝑙 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜) 6 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑆𝑂4 ∗ = 0,144 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐻2 𝑆𝑂4 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑆𝑂4 1000 𝑚𝑙 𝐻2 𝑆𝑂4

R: El reactivo limitante es el Acetato de sodio y el reactivo en exceso es el Ácido sulfúrico.



Calcule la cantidad de moles de ácido sulfúrico reaccionantes. 0,052 𝑑𝑒 (𝐴𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜) ∗



Calcule la cantidad de moles de acetato de sodio reaccionantes.

7 𝑔 𝑑𝑒 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) ∗



1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑆𝑂4 = 0,026 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐻2 𝑆𝑂4 2𝑚𝑜𝑙 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜)

61 𝑔 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) 1 𝑚𝑜𝑙 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) = 0.052 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 ∗ 100 𝑔 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) 82 𝑔 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜)

Calcule la cantidad en moles de ácido acético producidos (teórico)

7𝑔 𝑑𝑒 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) ∗

61 𝑔 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) 1 𝑚𝑜𝑙 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) 2 𝑚𝑜𝑙 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 ) = 0.052 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜) ∗ ∗ 100 𝑔 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) 82 𝑔 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜) 2 𝑚𝑜𝑙 (𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜)



Calcule la cantidad de moles de ácido acético producidos (prácticos)

Usando el rendimiento de la reacción, se calcularán los moles de Ácido acético prácticos producidos en la siguiente ecuación: 𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 Á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜𝑠 = 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 % ∗

𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 100 %

Reemplazando en la ecuación: 𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 Á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 = 85% ∗ 

0.052 = 0.0442 ≈ 𝟎. 𝟎𝟒𝟒 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔 100%

Representa y explica paso a paso el mecanismo de reacción de la síntesis de ácido acético.

Figura N° 10- Mecanismo de reacción de la síntesis de ácido acético. El Acetato de sodio es una sal de ácido carboxílico que tiene carga negativa y se une con la carga positiva del sodio, y reacciona con ácido sulfúrico que es un ácido fuerte. Este último va a poder donar protones y llega a una desprotonación total, entonces se queda como sulfato y dos hidrógenos, los protones que provienen del ácido sulfúrico protonan al Acetato y por eso la carga negativa va atraer a la carga positiva de los protones y por eso se forma el ácido acético. Por otro lado, se tiene al sodio que va a reaccionar con al sulfato. Este mecanismo es una reacción de protonación de una sal. 

Representa y explica paso a paso el mecanismo de reacción de la prueba de Carbonato de Sodio

Figura N°11 - Mecanismo de reacción de la prueba de Carbonato de Sodio. Para la primera prueba vemos la reacción general donde el ácido etanoico o ácido acético esta reaccionando con la sal (Carbonato de Sodio), para dar Acetato de Sodio, dióxido de carbono y agua. La presencia de las burbujas y de la efervescencia se debe al dióxido de carbono que es un gas. Reaccionaron dos moles ácido acético que están reaccionado con el carbonato de sodio, tiene una carga negativa que se asocia a dos sodios por la atracción de cargas. Lo primero que sucede es que el producto actúa como un ácido, lo cual significa que se tiene un hidrogeno menos, por lo que tenemos dos acetatos y dos protones. El carbonato de sodio tiene dos sodios de cargas

positivas, los cuales se ven atraídos por la carga negativa del acetato. Por ello se forman dos acetatos de sodio, por otro lado, también queda el ácido carbónico, en esta disolución en presencia de agua de disocia para dar lugar al dióxido de carbono (que sale en forma de burbujas) y en una molécula de agua. Esta reacción es una formación de sales. 

Representa y explica paso a paso el mecanismo de reacción de la prueba de Yodato/ Yoduro en almidón.

Figura N°13 - Mecanismo de reacción de la prueba de Yodato/Yoduro en almidón. Se tiene al acido acético producido que se lo pone en una solución yodato/yoduro tiene almidón, el producto dona protones lo cual produce acetato y protones, la solución de yodato/yoduro contiene yodato de potasio y yoduro de potasio. Al reaccionar ambos obtienen protones que vienen del ácido acético, yodo molecular y tres moléculas de agua en presencia de medio ácido. Sin embargo, se tiene el almidón que se caracteriza por tener varias glucosas unidas por enlaces alfa 1-6 y alfa 14, horizontales y verticales, esa estructura hace que el almidón se vea como un bloque de ladrillos como una red. Existe varias partes que tienen el enlace alfa 1-4 y hace que la molécula del almidón tenga una estructura helicoidal, como un resorte o llamada amilosa, hace que se pueda envolver o atrapar al yodo molecular formado. Cuando el almidón atrapa al yodo se forma el complejo de almidón yodo, no existe una reacción química propiamente, solo que la amilosa atrapa al yodo, llamada amilopectina y la demostración visual de esto es el cambio de coloración que se dio en la solución de un tono rojizo o café que se transforma en un tono oscuro que va a depender de la concentración del almidón, mientras más almidón mas oscuro. Esta prueba se utiliza para detectar la presencia del ácido ya que por ello se forma el yodo molecular, y eso se demuestra con el cambio de color. VII.

Conclusiones

En la presente práctica de laboratorio, se estableció como objetivo general: Definir y evaluar químicamente las propiedades de los ácidos carboxílicos. Y como objetivos específicos: Explicar el mecanismo de reacción de la síntesis de ácido acético, evaluar la reactividad de los ácidos carboxílicos mediante las pruebas de Carbonato de Sodio y Yodato/Yoduro y realizar los cálculos pertinentes a la práctica. Por lo tanto, se pudo comprobar y estudiar las propiedades químicas de los ácidos carboxilicos obteniendo ácido acético por medio de una reacción de protonación de sales de ácidos carboxílicos, además del estudio de otras formas de sintetizar el mismo compuesto de manera industrial y química. Obteniendo así una reacción entre el Acetato y un ácido fuerte como lo es el ácido sulfúrico. Se montó el equipo necesario en el simulador y se realizó la práctica a través de una situación generada por el mismo, esta situación tenía distintos valores para cada persona que ingresa al link compartido en materiales. Continuando con las pruebas de reactividad o identificación en el producto obtenido, para la prueba con el Carbonato de sodio si existió una reacción visible la cual fue demostrada por la formación de burbujas y efervescencia en el tubo de ensayo, esto debido al dióxido de carbono de

la reacción, siendo esta una formación de sales que fue de carácter positivo. Para la prueba del Yodato/Yoduro en almidón, se tuvo un cambio de coloración notable a un tono azul oscuro o morado como se ve en el simulador, sin embargo, en la práctica el color azul depende el almidón que atrapa al yodo molecular formado en la reacción. El ácido carboxílico formando se comporta como un ácido haciendo que exista la formación del complejo de almidón. Cabe mencionar que esta prueba es importante para determinar la presencia del ácido carboxílico que, de igual manera fue de carácter positivo. De acuerdo con los cálculos pertinentes a la práctica, se hizo un cálculo prevé para la obt...