Práctica 3: Análisis elemental cualitativo PDF

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####### PRÁCTICA 3####### ANÁLISIS ELEMENTAL CUALITATIVO####### INDICACIONES DE PELIGRO####### I. COMPETENCIAS Aplica diversas técnicas de reconocimiento que permite identificar los elementos químicos presentes en las moléculas orgánicas, como los métodos de Liebig y Lassaigne, actuando con respons...

Description

PRÁCTICA 3 ANÁLISIS ELEMENTAL CUALITATIVO INDICACIONES DE PELIGRO

Inflamable

Corrosivo

I. 

Toxicidad aguda

Explosivo

Sensibilización cutánea

Peligro medio ambiente

COMPETENCIAS

Aplica diversas técnicas de reconocimiento que permite identificar los elementos químicos presentes en las moléculas orgánicas, como los métodos de Liebig y Lassaigne, actuando con responsabilidad y cuidado en el manejo de los reactivos.  Identifica mediante reacciones químicas la presencia de elementos como el carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, halógenos y fósforo; presentes fundamentalmente en los seres vivos.  Utiliza las pruebas de oxidación y fusión con sodio, que permite identificar cualitativa y cuantitativamente los elementos químicos, que permite que el estudiante esté adiestrado para realizar la marcha sistemática orgánica.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO Análisis cualitativo: tiene por objeto determinar cuáles son los elementos químicos que forman una sustancia orgánica, para esto se realizan ensayos de orientación, como por ejemplo, si al arder la sustancia produce hollín o si a la acción deja residuo negro nos indica que contiene carbono. (Éste es el tipo de análisis que realizaremos en el laboratorio). Análisis cuantitativo: tiene por objeto determinar en qué proporción se encuentran los elementos que forman una sustancia orgánica. Las composiciones y fórmulas a averiguar en este tipo de análisis son las siguientes: - Composición centesimal: expresa el porcentaje de la masa de cada uno de los elementos que forman el compuesto. - Fórmula atómica centesimal: indica el número de moles de átomos de cada elemento que hay en 100g de sustancia. - Fórmula mínima: expresa la menor relación que existe entre los átomos que forman la molécula de una sustancia. - Fórmula molecular: indica cuantos átomos de cada clase hay en una molécula. 1

La cantidad de elementos que comúnmente se encuentran en los compuestos orgánicos es relativamente pequeña. Sólo diez elementos combinados de diversas formas constituyen la mayor parte de la enorme cantidad de sustancias orgánicas. La gran mayoría de estos, contienen carbono, hidrógeno y oxígeno, mientras que el nitrógeno, azufre y halógenos son menos comunes; un número aún más pequeño contienen fósforo, arsénico y otros elementos. Existen varios métodos para identificar estos elementos. Los métodos más conocidos consisten en transformarlos, desde la forma covalente en que generalmente se encuentran, a iones que se puedan detectar por ensayos cualitativos de fácil identificación. El análisis elemental de un compuesto orgánico constituye el análisis cualitativo, en donde se identifica cada uno de los constituyentes de la muestra orgánica, mediante pruebas de coloración o formación de precipitados específicos para los elementos químicos en las muestras orgánicas. Éste análisis no es directo, ya que los compuestos orgánicos no son electrolitos que en medio acuoso se ionizan; Por ello el compuesto orgánico es necesario destruir completamente la molécula, que generalmente se realiza por fusión con un metal alcalino hasta formar una sal soluble en agua y poder identificar por métodos analíticos los átomos de las moléculas orgánicas. Sobre el estado físico, color y olor: El color en un compuesto viene determinado por su estructura. Debe designarse como incoloro, blanco, amarillo, etc., evitar apelativos como claro. El color puede asociarse a estructuras conjugadas. El olor se examina si se sabe que la sustancia no es tóxica ni irritante. Se destapa el frasco y se mueve la mano por encima de él, de modo que una parte de los vapores alcance la nariz. Observar el estado físico, color, olor de la muestra, y registrarlo. El olor se examina si se sabe que la sustancia no es tóxica ni irritante. El análisis elemental cualitativo es bastante sensible y con pruebas químicas directas, las soluciones acuosas deben prepararse con cuidado, empleando solo agua destilada o desionizada, siempre es necesario realizar pruebas de control (ensayos en blanco). El conocimiento de la composición elemental de un compuesto orgánico ayuda a seleccionar los experimentos para el reconocimiento de los grupos funcionales, preparación de derivados, interpretar espectros y determinar la estructura de la molécula orgánica, en el presente manual solo se ocupa de la detección de los elementos químicos más comunes presentes en las moléculas orgánicas. Reconocimiento de carbono e hidrógeno: El carbono se identifica muchas veces en los ensayos preliminares, porque las sustancias orgánicas dejan luego de la ignición un residuo carbonoso; sin embargo, esto no ocurre en todos los casos. Los líquidos volátiles como el etanol, éter etílico, cloroformo, acetona, etc. y muchos sólidos como el ácido oxálico, cafeína y alcanfor se evaporan o 2

subliman cuando se calientan, sin dejar residuo carbonoso, lo cual hace necesario recurrir a otros medios para la detección del átomo de carbono presente. Se han propuesto muchos métodos para la detección de dicho elemento, como por ejemplo, basados en su oxidación hasta CO2, mediante el empleo de diversos agentes oxidantes. Uno de ellos consiste en calentar la muestra con óxido de cobre; el carbono oxidado a CO 2 se detecta haciéndolo pasar a través de un tubo con desprendimiento sobre una solución de hidróxido de calcio o de bario, que se enturbiará al precipitar el carbonato de calcio o de bario y el hidrógeno convertido en agua se condensará en forma de gotas sobre las paredes frías del tubo.

Sustancia orgánica (C, H) + CuO CO 2 + Ba(OH) 2

3

CO 2 + H2O + Cu BaCO3

+ H2 O

Reconocimiento de nitrógeno, azufre y halógenos: El nitrógeno, el azufre y los halógenos se encuentran, en la mayoría de los casos, formando combinaciones que, por su escasa reactividad, no pueden ensayarse directamente; de aquí la necesidad de convertir a estos elementos en sus formas iónicas para que se identifiquen por las reacciones comúnmente utilizadas en el análisis inorgánico cualitativo. Un método de conversión del nitrógeno, el azufre y los halógenos de las moléculas orgánicas a sus formas iónicas consiste en tratar éstas con un metal alcalino, generalmente sodio, tratamiento que descompone la sustancia orgánica y transforma los elementos anteriormente indicados, si existen, en cianuro sódico, sulfuro sódico y haluros de sodio. En casos muy especiales, cuando hay nitrógeno y azufre, puede formarse sulfocianuro de sodio.

Sustancia orgánica (C, H, N, S, X)

Na

NaCN Na2S NaX NaCNS

Al disolver en agua estos productos de la fusión con sodio, la existencia del ion cianuro se demuestra por su precipitación en forma de ferrocianuro férrico (azul de Prusia), el ion sulfuro por su precipitación en forma de sulfuro de plomo (negro), y la presencia de halógenos se pone de manifiesto con nitrato de plata, en presencia de ácido nítrico diluido, produciendo el característico haluro de plata insoluble. El sodio es una sustancia que debe manipularse con precaución, hay que evitar que entre en contacto con el agua, usando siempre una espátula seca o pinzas para partirlo. Utilizar un cubo de unos 3 mm de lado para cada l0 a 30 mg de muestra sólida o de 2 - 5 gotas de líquido. a) Determinación de nitrógeno: La determinación del nitrógeno no es tan fácil, debido a varios inconvenientes presentes en la fusión sódica: a) muchas sustancias volatilizan antes de que la fusión sódica comience, por tanto será necesario hacer la fusión por otro método. Algunos compuestos pueden dar nitrógeno como nitrógeno elemental. Algunos compuestos (poli-nitrocompuestos, azocompuestos, derivados del pirrol, proteínas y otros) reaccionan muy lentamente, de tal modo que molestan para dar pruebas realmente positivas. Pueden obtenerse mejores resultados mezclado la sustancia con sacarosa y sometiendo esta mezcla a la fusión. Por tanto es necesario realizar la fusión con mucho cuidado y generalmente hacer una confirmación de la presencia del nitrógeno por métodos diferentes. Un procedimiento muy conocido que emplea la fusión sódica se conoce como el método de Lassaigne y otro alternativo que determina nitrógeno de manera indirecta recibe el nombre de método de Will-Warrentrapp.

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En el método de Lassaigne el cianuro de sodio (compuesto iónico) formado en la fusión sódica se convierte en ferrocianuro férrico, conocido como azul de Prusia, mediante la adición de sulfato ferroso y cloruro férrico, de acuerdo con las siguientes reacciones: 2 NaCN + Na +

FeSO4

Fe(CN)2 +

Na2SO4

2 H2 O

2 NaOH +

H2

Fe(OH)2 +

Na2 SO4

FeSO4 + 2 NaOH

Al hervir la solución alcalina de los iones ferrosos, algunos de ellos se oxidan a iones férricos, Fe+3 y para disolver los hidróxidos férricos se agrega ácido clorhídrico: 4 Fe 2+ + 3 O2 + 6 H2O Fe(OH)3

[O] 4 Fe(OH)3 FeCl3 + 3 H2O

+ 3 HCl

En este caso, el cianuro ferroso obtenido al inicio reacciona con exceso de cianuro de sodio para formar ferrocianuro de sodio: Fe(CN) 2

+ 4 NaCN

Na4Fe(CN) 6

El cloruro férrico reacciona con el ferrocianuro de sodio para dar un complejo soluble de color azul de Prusia brillante:

4 FeCl3 + 3 [Na4Fe(CN)6]

NaFe (III) [Fe(II)(CN)6 ] . H2O

Finalmente, si la sal férrica está en exceso, el producto originado es el azul de Prusia insoluble: 2 NaCN + FeSO4

Fe(CN)2 + Na2SO4

Fe(CN)2 + 4 NaCN

Na4Fe(CN)6

4 FeCl3+ 3 [Na Fe(CN) ] 4

H+

Fe4(III) [Fe(II)(CN)6]3

6

+ 12 NaCl

b) Determinación de azufre: La detección del azufre se basa en la conversión de sulfuro de sodio formado durante la fusión sódica en un precipitado café oscuro o negro de sulfuro de plomo, producto de la adición en medio ácido de acetato de plomo.

Na2S + Pb(CH 3COO) 2

PbS

+ 2 CH3COONa

Alternativamente, si al filtrado de la fusión sódica se le adiciona una solución de nitroprusiato de sodio, se obtiene una solución de color púrpura por la formación de un complejo soluble.

Na2S + Na2 [Fe(CN) 5NO]

Na3 [Fe(CN) 5NaSNO] 5

c) Determinación de halógenos: Los halógenos se transforman durante la fusión sódica en los correspondientes haluros X-, que por adición de una solución de nitrato de plata en agua desionizada forman un precipitado de haluro de plata, insoluble en ácido nítrico concentrado. H+

NaX + AgNO 3

AgX + NaNO 3

Los cloruros, bromuros y yoduros se pueden distinguir por el color del precipitado, blanco, amarillo suave y amarillo, respectivamente. Además estos precipitados difieren en su miscibilidad en amoniaco acuoso; el cloruro de plata es miscible, el bromuro de plata es poco miscible y el yoduro de plata es insoluble. La diferenciación entre los halógenos se fundamenta en la mayor facilidad de oxidación a halógeno molecular libre de los iones yoduro y bromuro con respecto al ión cloruro, provenientes del filtrado de la fusión sódica. El agente oxidante más empleado para llevar a cabo dicha oxidación es una disolución de permanganato de potasio (0,1 M) en ácido nítrico al 40% (6N). Unas cinco gotas de solución de cada reactivo son suficientes. [O] 2 I -, 2 Br -, 2 Cl-

I2 Br2 2 Cl-

El yodo y el bromo se diferencian del cloro (que permanece como ión cloruro) porque ambos son solubles en disulfuro de carbono y producen coloraciones características, tanto por sí mismos como por la acción de algunas gotas de alcohol alílico (CH2=CHCH2OH). Un color carmelita rojizo indica la presencia de bromo, o bromo y yodo. Si la coloración es violeta, únicamente está presente el yodo. Si la coloración es carmelita rojiza y al añadir 3 gotas de alcohol alílico desaparece el color, es prueba de que solamente está presente el bromo. Si el color se torna violeta, es señal que están presentes bromo y yodo. Finalmente, para determinar si el cloro también está presente, se debe extraer una porción de la capa acuosa y se acidula con solución de ácido nítrico que luego se concentra por calentamiento hasta la mitad del volumen, para expulsar el HCN y el H2S, ya que si están presentes interfieren en la prueba, y para que el bromo y el iodo queden en libertad. La adición de nitrato de plata al 1 % dará precipitado blanco, que se oscurece rápidamente con la luz. La determinación de oxígeno se realiza con yodo metálico, en el análisis elemental cuantitativo.

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El porcentaje de oxigeno se obtiene por diferencia del 100% del total de elementos. Luego de la determinación de la composición elemental de la molécula, se realizan cálculos químicos en proporción de masa referida al número de átomos, para obtener la formula minina o empírica y con la ayuda del peso molecular se obtiene la formula molecular.

III. PARTE EXPERIMENTAL Experimento 1: Ensayo de ignición En un tubo de ensayo pequeño ó una espátula colocar 0,100 g ó 5 gotas de muestra problema según sea sólido o líquido. Acercar una flama incandescente para observar si la sustancia es inflamable o no. Si es inflamable determinar el color de la flama, olor de los gases. Si no lo es, calentar por la parte inferior, observando los cambios que se producen: olor, desprendimiento de gases, formación de residuo, etc. Experimento 2: Análisis cualitativo de carbono e hidrógeno. Método de Liebig En un tubo de ensayo limpio y seco, acondicionar un tapón con tubo de desprendimiento, calentar aproximadamente 0,5 g de una muestra orgánica mezclado con 0,25 g de óxido cúprico. Colocar el extremo del tubo de desprendimiento sumergido en una solución de hidróxido de bario o calcio. La formación de un precipitado blanco indica la presencia de carbono al estado de carbonato. En el mismo tubo observar unas gotitas de agua que se condensan en las paredes del tubo donde está la muestra. El precipitado se disuelve con HCl.

C2H 2O4 + 2 CuO CO2

+

2 CO2 + H2O + Cu BaCO3

Ba(OH)2

7

+

H2O

Experimento 3: Análisis cualitativo de oxígeno Colocar en 2 tubos de ensayo por separado cristalitos de yodo, a uno de ellos añadir una muestra líquida orgánica que contenga oxígeno (etanol, metanol, etc.) y al otro una muestra orgánica que no tenga oxígeno (hexano, diclorometano, etc.). Si aparece una coloración parda rojiza, indica la presencia de oxígeno en la muestra, si se torna color violeta, indica la ausencia de este elemento. Experimento 4: Determinación de nitrógeno, halógeno y azufre. Prueba de fusión con sodio. Método de Lassaigne El método Lassaigne consiste en reducir estos elementos de los compuestos orgánicos (enlaces covalentes) en sales iónicas, para ello se les somete a la acción del sodio fundido: dando cianuro de sodio, halogenuro de sodio y sulfuro de sodio. Fusión Muestra Orgánica + Na

NaCN, NaX, Na 2S, NaCNS

(C, H, O, N, S, X)

X = halógeno

En un tubo de ensayo, colocar un trozo de sodio del tamaño de un grano de arroz y 0,2 g de muestra orgánica procurando cubrir el sodio, nuevamente adicionar un trocito de sodio. Calentar suavemente con cuidado hasta que funda el metal, luego calentar al rojo vivo por 2 minutos. Dejar enfriar y añadir 10 ml de agua destilada, hervir la solución evitando las proyecciones, filtrar si es necesario, nuevamente adicionar agua destilada y filtrar: dividir la solución resultante en cuatro tubos de ensayo equitativamente y guardar la solución para determinar la presencia de nitrógeno, azufre o halógenos. a) Determinación de nitrógeno. Prueba del azul de Prusia Colocar en un tubo de ensayo unos 2 ml de la solución filtrada, agregar 0,2 g de sulfato ferroso y 2 gotas de solución de cloruro férrico, hervir durante unos minutos, enfriar y acidular con ácido sulfúrico concentrado. La formación de un precipitado azul o simplemente una coloración azul indicará la formación del ―AZUL DE PRUSIA‖ y por lo tanto la presencia del nitrógeno. En caso de no observar dicha coloración, filtrar: si la muestra contenía nitrógeno debe quedar el papel filtro coloreado de azul. + FeSO4 2 NaCN + 4 NaCN Fe(CN)2 3 Na4Fe(CN)6 + 4 FeCl3

+ Na2SO4 Fe(CN)2 Na4Fe(CN)6 Fe4 [Fe(CN)6]3 + 12 NaCl azul de Prusia

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b) Determinación de halógenos Colocar en un tubo de ensayo 2 ml del filtrado procedente de la fusión con sodio: acidular con ácido nítrico (usar papel tornasol), hervir (para eliminar el HCN y H 2S en caso que existan); luego añadir unas gotas de nitrato de plata. Un precipitado blanco o amarillento denotará la formación de cloruro de plata, bromuro de plata ó yoduro de plata. NaX + AgNO3

HNO3

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AgX + NaNO3

c) Determinación de azufre Colocar en un tubo de ensayo 2 ml del filtrado procedente de la fusión con sodio: acidular con ácido etanóico, agregar unas gotas de una solución de acetato de plomo. La formación de un precipitado negro de sulfuro de plomo indicará la presencia de azufre. También a 2 ml del filtrado se le añade 2 – 3 gotas de una solución diluida, recientemente preparada de nitroprusiato de sodio Na2 [Fe (CN)5NO]; (se prepara también adicionando 1 cristal de nitroprusiato de sodio en 2 ml de agua). Una intensa coloración violeta es prueba positiva de presencia de azufre. 2 CH3COONa + PbS

Na 2S + (CH3COO)2Pb Na2S

+ Na2[Fe(CN)5NO]

Na3[Fe(CN)5NaSNO]

Experiencia 5: Determinación de fósforo A una solución que contenga fósforo; acidular con 2 – 3 gotas de ácido nítrico concentrado, y luego añadir 1 ml de molibdato de amonio. Llevar a ebullición si es necesario, la aparición de un precipitado amarillo indicará la presencia de fósforo en la muestra orgánica.

(NH4)2[P(Mo3O12)4] + NaNO3 + H2O

Na2HPO4 + (NH4)2MoO4 + HNO3

IV. DISPOSICIÓN FINAL DE LOS RESIDUOS GENERADOS EN LA PRÁCTICA Sustancia o mezcla Reconocimiento de carbono e hidrógeno

Recipiente rotulado Corrosivo

Fusión sódica

Corrosivo

Determinación de nitrógeno/método de Lassagne

Corrosivo

Reconocimiento de azufre

Corrosivo

Ensayo de halógenos

Corrosivo

Determinación de fósforo

Corrosivo

V. CUESTIONARIO 1. Existe alguna molécula orgánica, que no tenga átomo de carbono. Enumere cinco diferencias entre compuestos orgánicos de los inorgánicos. 2. ¿Qué sucede con el yodo al reaccionar con un compuesto orgánico oxigenado?. 3. Calcular la fórmula empírica y molecular de cada uno de los siguientes análisis elementales:

10

C: %

H: %

Cl: %

O: %

PM

a)

69,96

7, 83

0

22,21

360,43

b)

60, 0

4, 44

0

35,55

180,20

c)

49,02

2,473

48,24

55,00

177,00

d)

26,70

2,23

0

71,10

90,00

4. ¿Cuál es la forma correcta de eliminar residuos de ácido sulfúrico, ácido nítrico y ácido acético, durante el análisis elemental cualitativo orgánico?. 5. Podría usted demostrar que en la respiración del ser humano (expiración) se forma CO2. 6. Si una muestra orgánica sólo contiene: C, H y N. Al realizar el análisis elemental, dio positivo el ensayo para halógeno. ¿Qué error se cometió para obtener este resultado?. 7. Mencione dos compuestos orgánicos en los seres vivos que contiene azufre, halógeno y metales. 8. ¿En la manipulación del sodio metálico, porque debe evitarse la presencia de agua?. 9. ¿Cuál es el principio en el que se basa el análisis elemental cualitativo orgánico por el método de fusió...