Práctica 1 - Propiedades Físicas Punto de Fusión Ebullición y Índice de Refracción PDF

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Universidad de CaraboboFacultad Experimental de Ciencias y Tecnología Departamento de Química Laboratorio de Química OrgánicaPRÁCTICA N° 1PUNTO DE FUSIÓN, EBULLICIÓN E ÍNDICE DE REFRACCIÓNFINALIDADa) Realizar la calibración de un termómetro. b) Utilizar el punto de fusión como criterio de pureza de ...

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Guía de Prácticas. Laboratorio de Química Orgánica I 2019 Universidad de Carabobo

Facultad Experimental de Ciencias y Tecnología Departamento de Química Laboratorio de Química Orgánica PRÁCTICA N° 1 PUNTO DE FUSIÓN, EBULLICIÓN E ÍNDICE DE REFRACCIÓN FINALIDAD a) Realizar la calibración de un termómetro. b) Utilizar el punto de fusión como criterio de pureza de las sustancias sólidas. c) Aplicar el punto de fusión mixto como criterio de identidad de los compuestos orgánicos. d) Determinar el punto de ebullición de algunos líquidos puros. e) Determinar el índice de refracción de sustancias puras. ANTECEDENTES Punto de fusión como constante física. Factores que determinan la fusión de un sólido. Metodologías para determinar punto de fusión, ebullición e índice de refracción. Puntos de fusión de sustancias puras e impuras. Mezclas eutécticas. Punto de fusión mixto. Punto de ebullición. Índice de refracción. ASPECTOS TEÓRICOS La pureza e identidad de una sustancia orgánica puede quedar establecida cuando sus constantes físicas (punto de fusión, punto de ebullición, color, densidad, índice de refracción, rotación óptica, etc.), corresponden con las indicadas en la literatura. Por ser de fácil determinación y por ser los más citados, tanto el punto de fusión como el de ebullición son operaciones de rutina en los laboratorios de Química Orgánica. PUNTO DE FUSIÓN El punto de fusión de un compuesto sólido cristalino es la temperatura a la cual se encuentran en equilibrio la fase sólida y la fase líquida y generalmente es informado dando el intervalo entre dos temperaturas: la primera es cuando aparece la primera gotita de líquido y la segunda es cuando la masa cristalina termina de fundir. Por ejem., el pf del ácido benzoico se informa como: pf = 121-122º El punto de fusión de un compuesto puro, en muchos casos se dá como una sola temperatura, ya que el intervalo de fusión puede ser muy pequeño (menor a 1º). En cambio, si hay impurezas, éstas provocan que el pf disminuya y el intervalo de fusión se amplíe. Por ejem., el pf del ácido benzoico impuro podría ser: pf = 117 – 120º Elaborado por Profesor Arnaldo Armado

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Aprovechando esta característica, se emplea el punto de fusión mixto (punto de fusión de una mezcla) para determinar la identidad de un compuesto: • Si se mezclan dos muestras diferentes de la misma sustancia, el resultado sigue siendo la misma sustancia pura. • Si se mezclan dos muestras de sustancias diferentes, éstas se impurifican entre sí, por lo cual la mezcla fundirá a una temperatura más baja y el intervalo de fusión será más amplio. Existen actualmente muchos tipos de aparatos para determinar el punto de fusión. En este laboratorio, usaremos dos: el tubo de Thiele (muestra en capilar) y el fusiómetro (marca Electrothermal modelo 1001D). PUNTO DE EBULLICIÓN El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a la presión externa. Para que una sustancia alcance su punto de ebullición, es necesario suministrar la energía necesaria para que pase del estado líquido al estado de vapor. En general, los factores que determinan el punto de ebullición son: el peso molecular, la forma lineal o ramificada de las moléculas, su polaridad y la asociación intermolecular. Entre los hidrocarburos, los factores que determinan puntos de ebullición suelen ser principalmente el peso molecular y la forma, lo que es de esperar de moléculas que se mantienen unidas esencialmente por fuerzas de Van der Waals. En el caso de los alcoholes se ha observado que a medida que aumenta el número de átomos de carbono, de la cadena lineal, el punto de ebullición también aumenta; sin embargo, éste disminuye al aumentar las ramificaciones moleculares. Los puntos de ebullición de los alcoholes anormalmente elevados se deben a que son líquidos asociados y por lo mismo requieren mayor energía para romper los puentes de hidrógeno que mantienen unidas a las moléculas. INDICE DE REFRACCIÓN La palabra "refractómetro" se popularizó en el último tercio del siglo XIX gracias a los trabajos de varios autores, entre los que destaca el alemán Ernst Abbe (1840-1905) que colaboró con el fabricante de instrumentos Carl Zeiss. Los refractómetros Abbe estaban especialmente dirigidos a análisis químicos que generalmente comportan el estudio de muestras líquidas, al contrario de lo que ocurre en otras áreas como la mineralogía. Estos instrumentos constan básicamente de un espejo que dirige la luz a una montura metálica central móvil con dos prismas. La luz es observada mediante un objetivo que se encuentra junto a una escala graduada que permite establecer su posición relativa respecto a los prismas. La manguera de goma permite hacer circular agua para mantener constante la temperatura de la montura central, dado que esta influye notablemente sobre los valores de los índices de refracción de los líquidos. La pieza central se puede abrir gracias a una bisagra que permite separar los dos prismas y colocar entre ellos la sustancia que se pretende analizar. El funcionamiento del refractómetro de Abbe está basado en el estudio del ángulo límite en el que se produce la reflexión total del rayo que atraviesa los prismas y la muestra entre ellos. Como este valor depende de los índices de refracción de las sustancias atravesadas y, dado que el valor correspondiente a los prismas es conocido, resulta posible conocer el índice de refracción de la muestra. Sólo resulta necesario colocar el objetivo en la posición correspondiente al ángulo límite y leer el ángulo en la escala situada junto a él. Para facilitar esta lectura, algunos fabricantes, como ocurre en este equipo, colocan en esta escala los valores del índice de refracción, calculados mediante las fórmulas correspondientes. De este modo, se puede leer directamente el valor del índice de refracción que en los primeros refractómetros estaba referido al valor correspondiente a la línea espectral D del Elaborado por Profesor Arnaldo Armado

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los instrumentos de este tipo fabricados por Zeiss. MATERIAL A UTILIZAR Capilares, Vidrio de reloj, Espátula o cuchara plástica, Mortero, Varilla hueca, Termómetro, Ligas, Algodón, Tapón de goma, Pinza de tres dedos, Soporte universal, Mechero (Fósforos), Manguera negra, Tubo para medir punto de ebullición, Goteros. REACTIVOS Parafina, Benzofenona, Ácido benzoico, 2-Naftol, Etanol, Benzaldehído, Acetona. Nota: Se utilizarán sustancias sólidas y líquidas cuyos puntos estén comprendidos dentro de la escala del termómetro. Equipos Fusiómetro, Tubo Thiele, Refractómetro. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTO N° 1. CALIBRACIÓN DEL TERMÓMETRO Se le proporcionarán tres sustancias estándar (benzofenona, 2-naftol y ácido benzoico) de punto de fusión conocido a las que deberá determinar el punto de fusión. Anote las temperaturas de los intervalos de fusión en su cuaderno. Trace luego una gráfica de calibración del termómetro en papel milimétrico. Esta gráfica se utiliza para corregir puntos de fusión experimentales. EXPERIMENTO N° 2. PUNTO DE FUSIÓN DE LA SUSTANCIA PROBLEMA Se le proporcionarán una muestra sólida. Realice dos determinaciones. Corrija, usando su gráfica, los pf obtenidos en su determinación. (No olvide anotar los dos valores, de inicio y final). EXPERIMENTO N° 3. PUNTO DE FUSIÓN MIXTO Con las sustancias que le facilite el docente, prepare una pequeña mezcla en proporción 1:1. Homogenice en el vidrio de reloj y determínele el pf a las mezclas preparadas y compare con las sustancias individuales. Anote el intervalo de fusión. EXPERIMENTO N°4. MÉTODO DEL TUBO DE THIELE Para cerrar los capilares, caliente uno de los extremos con un mechero. Pulverice en un mortero la sustancia, luego para llenar el capilar, coloque la sustancia en un vidrio de reloj y aplique en el extremo abierto del capilar sobre la sustancia. Enseguida, tome un tubo de vidrio de unos 30 cm. de largo, apoye un extremo en la mesa y deje caer por arriba el capilar (el extremo cerrado hacia abajo), hasta que la sustancia quede en el fondo del capilar con una altura de unos 2 mm. El capilar ya preparado se une al termómetro mediante una rondana de hule o una liga (la cual no debe tocar la parafina). Observe que la sustancia en el capilar quede pegada al bulbo del termómetro. (Figura 1). Llene el tubo de Thiele con parafina hasta cubrir la entrada superior del brazo lateral (observe la Figura 1) y sosténgalo en un soporte universal con unas pinzas de tres dedos. Coloque el termómetro con el capilar en el tapón horadado, cuidando que el bulbo del termómetro y la muestra queden al nivel del brazo superior del tubo lateral, sin que el aceite (parafina) toque la rondana de hule (porque se afloja y se cae el capilar). Comience a calentar suavemente el brazo lateral del tubo de Thiele con un mechero. Primera determinación. -Para conocer aproximadamente a qué temperatura funde la muestra, regule el calentamiento del tubo de Thiele de tal manera que la temperatura aumente a una velocidad de 20º por minuto. Elaborado por Profesor Arnaldo Armado

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Segunda determinación. -Prepare otro capilar con la muestra pulverizada. Repita el procedimiento y una vez que falten unos 30º para llegar a la temperatura de fusión, disminuya la velocidad de calentamiento a 2º por minuto. (Anote las dos temperaturas, de inicio y final, en cada pf.)

Figura 1. Montaje del Tubo Thiele para determinar la temperatura de fusión EXPERIMENTO N° 5. PUNTO DE EBULLICIÓN Llene el tubo de Thiele con parafina hasta cubrir la entrada superior del brazo lateral (observe la Figura 2) y sosténgalo en un soporte universal con unas pinzas de tres dedos. Coloque el termómetro y a este adhiérale con la ayuda de una goma un tubo de ensayo micro al cual le añadimos de 2 a 3 gotas del líquido problema, se introduce un capilar sellado por uno de sus extremos de modo que el extremo abierto quede sumergido en el líquido. Luego coloque el termómetro sujeto al soporte universal y sumergido en la parafina del tubo Thiele. Comience a calentar suavemente el brazo lateral del tubo de Thiele con un mechero hasta que observe un burbujeo constante, apague el mechero y continúe observando la muestra, el burbujeo comenzará a disminuir progresivamente hasta una última burbuja que saldrá y enseguida subirá la muestra al capilar, es allí cuando se observa la temperatura de ebullición.

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Figura 2, Montaje del Tubo Thiele para determinar la temperatura de ebullición EXPERIMENTO N° 6. MEDICIÓN DE EL ÍNDICE DE REFRACCIÓN A la misma muestra problema líquida que le determinó el punto de ebullición, determine el índice de refracción mediante el siguiente procedimiento: 1.- Abriendo el prisma secundario coloca de 2 a 3 gotas de solución en el centro de la superficie del prisma 2.- Cierra cuidadosamente el prisma secundario 3.- Observa por el ocular, gira la perilla de compensación de color hasta que aparezca una línea clara y definida en el campo de visión 4.- Gira la perilla de medición alineando la línea delimitadora con las líneas de intersección 5.- Leer en la escala superior el índice de refracción. MANEJO DE RESIDUOS RESIDUOS D1. Capilares impregnados D2. Disolventes contaminados D3. Sólidos orgánicos TRATAMIENTOS: D1 y D3: Enviar a incineración. D2: Guardar los disolventes para recuperar por destilación al final del semestre. BIBLIOGRAFÍA Adams R., Johnson J. R. and Wilcox, C. F. Jr. Laboratory Experiments in Organic Chemistry, 7a ed.. MacMillan, USA., 1979. Brewster R.Q., Vanderwerf, C.A.y McEwen, W. E. Curso de Química Orgánica Experimental, Alhambra, Madrid, 1974. Campbell B.N. Jr.and McCarthy Ali, M. Organic Chemistry Experiments, microscale and semi-microscale, Brooks/Cole , USA., 1994. Fessenden R.J. and Fessenden J.S. Organic Laboratory Techniques. Brooks/Cole , USA., 1993. Elaborado por Profesor Arnaldo Armado

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Guía de Prácticas. Laboratorio de Química Orgánica I 2019 Moore J.A. and Dalrymple D.L. Experimental Methods in Organic Chemistry. W. B. Saunders, (USA), 1976. Pasto D.J., Johnson C.R. and Miller M.J. Experiments and Techniques in Organic Chemistry. Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1992. Pavia D. L., Lampman G. M. and Kriz G.S. Introduction to Organic Laboratory Techniques, a Contemporary Approach, 3rd. ed.. Saunders College, Fort Worth, 1988. Roberts R.M., Gilbert J.C., Rodewald L.B. and Wingrove A.S. An Introduction to Modern Experimental Organic Chemistry. Holt, Rinehart & Winston, USA., 1969. Shriner, R. L., Fuson, R. C., Curtin, D.Y. Identificación Sistemática de Compuestos Orgánicos. Limusa, México, 1995. Vogel A.I. Practical Organic Chemistry, 5a ed.. Longman Scientific & Technical, London, 1989.

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