Practica 8 . Obtención DEL Ácido Pícrico Y Fenolftaleína PDF

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Practica de laboratorio ,calculos,diagrama del proceso, diagrama de bloques, marco teorico,introduccion,observaciones y conclusiones....

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS “LABORATORIO DE QUIMICA ORGANICA INDUSTRIAL”

PRÁCTICA 8: OBTENCIÓN DE ÁCIDO PÍCRICO Y FENOLFTALEÍNA PROFESORA: ANA MARÍA FLORES DOMÍNGUEZ

EQUIPO 6 INTEGRANTES: • • • FECHA DE ENTREGA: 21.12.2020 SEMESTRE 2021/1

ACTIVIDADES PREVIAS •

NITRACIÓN

La nitración es una de las reacciones químicas comercialmente más importantes. Se trata de la reacción entre un compuesto orgánico y un agente nitrante.

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CLASIFICACIÓN

1. Nitración en un carbono: El grupo nitro (NO2) es ganado por un átomo de carbono. 𝑪𝑯𝟑 − 𝑯 + 𝑯𝑵𝑶𝟑 → 𝑪𝑯𝟑 − 𝑵𝑶𝟐 + 𝑯𝟐𝑶 2. Formación de un nitrato por reacción de esterificación. 𝑪𝑯𝟑 − 𝑶𝑯 → 𝑪𝑯𝟑 − 𝑶 − 𝑵𝑶𝟐 + 𝑯𝟐 𝑶 3. Nitroaminas: Es el producto de la sustitución de un átomo de hidrógeno por un grupo nitro produciendo nitroaminas. 𝑵𝑯𝟐 − 𝑯 + 𝑯𝑵𝑶𝟑 → 𝑵𝑯𝟐 − 𝑵𝑶𝟐 En cada uno de los ejemplos indicados, un grupo nitro reemplaza a un átomo de hidrógeno. Sin embargo el grupo nitro puede reemplazar a otros átomos o grupos de átomos, la reacción de Víctor Meyer es un ejemplo típico, donde un átomo halógeno (especialmente bromo o iodo) es reemplazado por un grupo nitro usando nitrito de plata (o nitrito de sodio). Los compuestos nitrados pueden ser producidos por determinadas reacciones de adición como ser ácido nítrico, o bióxido de nitrógeno con compuestos orgánicos no saturados.

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AGENTES NITRANTES

Ácido nítrico concentrado: si es puro, aproximadamente sólo el 3% en peso de éste es ionizado a la forma del ión nitronio.

Donde a primera reacción es rápida y la segunda lenta, debido a la presencia de H2O (producida durante la nitración) disminuye la concentración del ion NO2+ por lo que el desplazamiento de la reacción es hacia la izquierda. * Cuando se usa HNO3 como agente nitrante el rango de temperaturas es de 350 a 450 ºC. * Ácido nítrico fumante: Si la solución incluye más de un 86 % de ácido nítrico se nombra como ácido nítrico fumante y viene en dos variedades, blanco y rojo. El ácido nítrico blanco fumante también se llama 100 % ya que casi no tiene agua (menos de un 1 %) según el proceso Por lo tanto las mezclas de nítrico y nitroso se usan para nitraciones suaves de aromáticos (en determinadas condiciones de los reactivos fenol o anisol). Ácido sulfúrico u Oleum(SO3 + H2SO4) :brinda una eficiencia de nitración mayor. El rol del ácido sulfúrico es considerado como un agente deshidratante capaz de remover el agua producida durante la nitración, mientras ésta iba completándose en forma fría.

La figura 1 , indica que el aumento de agua disminuye la concentración del ión nitronio hasta concentraciones molares del 50 %. Las concentraciones mayores del 50 % no detectan ión nitronio y concentraciones mayores de ácido nítrico, en algunos casos incrementan la concentración del ion nitronio, pero a la vez la fracción de ácido nítrico que es ionizado decrece. El ácido acético y el anhídrido acético :Es una de las combinaciones que con ácido nítrico forman mezclas que son altamente efectivas para facilitar el proceso de nitración.

Mezclas de ácido nítrico y ácido sulfúrico: a altas concentraciones de ácido sulfúrico, la mayor parte de ácido nítrico se ioniza.

También se usa como agente nitrante el NO2 que es relativamente soluble en hidrocarburos, formando una fase líquida hasta la fase acuosa. Las mayores reacciones probablemente ocurran en la fase orgánica, dado que el NO2 es la principal especie nitrante aún si se usa ácido nítrico.

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APLICACIÓN DE LA NITRACIÓN

El proceso de nitración es empleado para grupos nitro en airiáticos y aromáticos, ampliamente utilizados en la industria como materia prima y de consumo directo. Estos compuestos se consideran de gran importancia ya que tienen una amplia aplicación tanto en la industria química como en la farmacéutica. Los usos más importantes de los compuestos nitrados son en la síntesis de alcaloide anilinas, en las fabricaciones de colorantes, como disolventes en la

industria del petróleo, explosivas, plastificantes y como intermediario de síntesis de reactivos químicos. •

PARAMETROS DE CONTROL

❖ Presión: a) En fase gaseosa a baja presión (para obtener mezclas gaseosas de hidrocarburos, agentes nitrantes, productos e inertes). b) En fase liquida se necesitan altas presiones para mantener el óxido nítrico y el nitrógeno en fase gas disuelto en los líquidos. La mínima presión estará dada por la volatilidad del compuesto a nitrar. Presiones muy superiores, no tendrán efecto en la reacción. Suficiente presión para mantener los reactivos inmersos en la fase líquida (4 a 200 atm). ❖ Temperatura: A altas temperaturas la reacción es instantánea; a bajas temperaturas aumenta el tiempo de reacción para obtener un adecuado grado de nitración llegando al orden de varios minutos.A mayor temperatura se sufre un riesgo de explosividad Los procedimientos comunes para el control de las temperaturas son: a) Usar exceso de hidrocarburos, 4:1 con relación del hidrocarburo al agente nitrante; el cual actúa disminuyendo la temperatura. b) Adición de un gas inerte (vapor, N2 ) a la mezcla que reacciona. A veces se usa ácido nítrico diluido (60%) formándose grandes cantidades de vapor. c) Diseño de una adecuada transferencia de calor, tubos de aluminio de diámetro pequeño en baño de sal fundida. d) Reactores de lecho fluido también proveen un excelente control de temperatura. e) Empleo del calor de reacción por vaporización, calefaccionando la alimentación de ácido nítrico usado como agente nitrante. este es pulverizado dentro de un vapor propano caliente. ❖ Concentración: Las fracciones molares de hidrocarburos varían desde 2 : 1 a 6 : 1 respecto de los agentes nitrantes. Se usa el ácido nítrico concentrado al 60 / 70 % como agente nitrante , tomando entonces importancia el grado de agitación y el carácter de la emulsión.

•

NITRACIÓN DEL FENOL CON MEZCLA SULFONÍTRICA

REACCION GLOBAL:

MECANISMO: 1.-Sulfonacion del fenol:

2.-Nitracion del acido 1-fenol-2,4-disulfonico:

3.-Desplazamiento del grupo sulfónico por el grupo nitro a una temperatura de 120 °C:

4.- Regeneración del ácido sulfúrico:

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PROPIEDADES Y USOS DEL ÁCIDO PÍCRICO

El ácido pícrico es un compuesto químico orgánico altamente nitrado cuyo nombre IUPAC es 2,4,6trinitrofenol. Su fórmula molecular es C6H2(NO2)3OH. Es un fenol muy ácido, y puede encontrarse como picrato de sodio, amonio o potasio; es decir, en su forma iónica C6H2(NO2)3ONa. Es un sólido de un fuerte sabor de amargo, y de allí deriva su nombre, de la palabra griega ‘prikos’, que significa amargo. Se encuentra como cristales amarillos húmedos. Su desecación o deshidratación es peligrosa, ya que aumenta las propiedades inestables que lo hacen explosivo.

PROPIEDADES FISICAS • Apariencia : Sólido cristalino amarillo • Sabor : muy amargo • Inoloro • Densidad :1763 kg/m³; 1,763 g/cm³ • Masa molar:229.11 g/mol • Punto de fusión:395 K (122 °C) • Punto de ebullición:573,15 K (300 °C)

•

PROPIEDADES QUIMICAS • Explosivo y oxidante fuerte • Acidez :0.3 pKa • Sólido combustible e inflamable. • Irritante al entrar en contacto con la piel, con la mucosa respiratoria, la ocular y la digestiva. • Corrosivo en general para los metales, excepto para el estaño y el aluminio.

USOS

➢ EN QUÍMICA ORGÁNICA 1. En la química orgánica es usado como picratos alcalinos para efectuar identificación y análisis de diversas sustancias. 2. Es usado en la química analítica de metales. 3. En los laboratorios clínicos se usa en la determinación de los niveles séricos y urinarios de creatinina. 4. Se emplea como base para la síntesis de colorantes permanentes de tono amarillo. Algunos patólogos e investigadores lo emplean en la fijación o tinción de secciones de tejidos y otros procesos de inmunohistoquimica. 5. También ha sido usado en algunos de los reactivos que se emplean para el análisis de los niveles de glucosa. ➢ EN LA INDUSTRIA 1. A nivel de la industria fotográfica, el ácido pícrico ha sido empleado como sensibilizador en emulsiones fotográficas. Ha formado parte de la elaboración de productos como pesticidas, insecticidas fuertes, entre otros. 2. El ácido pícrico se usa para sintetizar otros compuestos químicos intermedios como la cloropicrina y el ácido picramico, por ejemplo. A partir de estos compuestos se han elaborado algunos medicamentos y tintes para la industria del cuero. 3. El ácido pícrico llegó a utilizarse en el tratamiento de quemaduras, como antiséptico y otras afecciones, antes que se evidenciara su toxicidad. 4. Componente importante por su naturaleza explosiva en la elaboración de fósforos y baterías.

➢ APLICACIONES MILITARES 1. Por la elevada explosividad del ácido pícrico, ha sido empleado en las plantas de municiones de armamento militar. 2. Se ha usado el ácido pícrico prensado y fundido en proyectiles de artillería, en granadas, bombas y minas. 3. La sal de amonio del ácido pícrico se ha usado como explosivo, es muy potente pero de menor estabilidad que la TNT. Durante un tiempo fue usado como componente del combustible de los cohetes. FENOLFTALEINA La fenolftaleína (C20H14O4) es un colorante orgánico, el cual es a su vez un ácido débil diprótico, usado en muchas determinaciones volumétricas como indicador ácido-base. Es decir, si es un ácido diprótico, en solución puede perder dos iones H+, y para ser un indicador debe tener la propiedad de ser colorido en el rango de pH que se está valorando. En medio básico (pH>8) la fenolftaleína es de color rosado, el cual puede intensificarse hasta un rojo violáceo Para ser utilizado como indicador ácido-base no debe reaccionar con mayor rapidez con los OH – del medio que los analitos a determinar. •

PROPIEDADES FISICAS Y QUÍMICAS

Estado: solido cristalino, blanco amarillo. Olor: blando Color: violeta, café o transparente dependiendo del pH. Punto de ebullición: 557°C Punto de fusión: 318°C Densidad relativa (agua = 1): 2.1 Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 109. Soluble en agua, alcohol y glicerol. Presión de vapor, kPa a 739°C: 0.13 Propiedad corrosiva •

USOS

➢ COMO INDICADOR La fenolftaleína es usada en análisis químicos como un indicador visual en la determinación del punto de equivalencia en las reacciones de neutralización o titulaciones ácido-base. El reactivo para estas valoraciones ácido-base se prepara al 1% disuelta en alcohol de 90 %.

➢ EN MEDICINA La fenolftaleína se usó como agente laxativo que actúa inhibiendo la absorción de agua y electrolitos en el intestino grueso promoviendo las evacuaciones .El uso prolongado de estos medicamentos que contienen fenolftaleína se encuentra asociado a la producción de varios trastornos en el funcionamiento intestinal, pancreatitis e incluso cáncer, producidos principalmente en mujeres y en los modelos animales utilizados para el estudio farmacológico de este compuesto químico. •

OBTRENCION DE LA FENOLFTALEINA POR MEDIO DE CONDENSACION DEL FENOL Y ANHIDRIDO FTÁLICO

1.-Primera etapa:

2.Segunda etapa:

UNA

Fenolftaleína

MATRIZ DE COMPRENSIÓN

Compuesto

Fenol C6H5OH

Ácido sulfúrico H2SO4

Ácido Nítrico HNO3

Anhídrido ftálico

PM (g/mol)

(C20H14O4)

Acido pícrico C6H3N3O7

Densidad (g/cm3)

Punto de Ebullición (°C)

Punto de fusión (°C)

Toxicidad

1.071

182

40-42

Por contacto.

4

Rombo

94.11

Solido rosado

98.08

Liq. viscoso e incoloro

Agua fría y caliente

1.841

338

10.36

Corrosivo por contacto e ingestión.

3

63.01

Líquido transparent e e incoloro

Agua

1.395

121

-47

Por ingestión

3

131

Por ingestión Por inhalación

3

3

148.12

Solido incoloro

40

Solido(lente jas) blanco.

NaOH

Fenolftaleína

Solubilidad

Agua caliente y fría. Etanol, acetona y benceno caliente. Eter.

(C6H4CO)2O

Hidróxido de Sodio

Edo físico y color

318.33

229.11

Solido Color: blanco a amarillo Sólido amarillo. Olor: Inodoro

En agua 0.62 % @ 20 °C insoluble a temperatura ambiente Agua fría y caliente. Etanol y glicerina(poco)

5.1

284

0

0 2

0 0

1

2.13

1390

318.4

Por ingestión, inhalación o contacto.

Insoluble en agua

1.299

557.8

258263

Por contacto e inhalación

2

Poco soluble de agua

1.8

122.5

Por contacto

3

>300

2

0

0 1 COR

1 0 OX

4 4

FLUJOGRAMAS PRÁCTICA 8 OBTENCIÓN DE ÁCIDO PÍCRICO.

Montar el equipo de acuerdo con la figura 37

1.0g de fenol 2ml ácido sulfúrico 6ml de ácido nítrico 8ml ácido sulfúrico (conc.)

Agitación constante @ 𝑇 ≈ 92°𝐶 𝑡 = 15𝑚𝑖𝑛 Baño maría @ 𝑇 = 75°𝐶 Combinar gota a gota 50ml agua helada

20ml de agua 2ml HCl (conc.) Calentar a ebullición T=5min

PREPARACIÓN DE REACTIVOS (Tubo de ensaye y matraz)

SULFONACIÓN (Tubo de ensaye)

NITRACIÓN (Vaso de precipitados)

Retirar del baño maría @ 𝑇𝑎𝑚𝑏 Baño de aceite T=120°C t=5min Dejar enfriar Producto solido

FILTRACIÓN

PURIFICACIÓN

SECADO

Enfriar, mezclar y filtrar Determinar rendimiento

Pesar Acido pícrico %R

PRÁCTICA 8 OBTENCIÓN DE LA FENOLFTALEINA

Montar el equipo de acuerdo con la figura 37

3.26 g de anhidrido ftálico 1ml ácido sulfúrico(conc.) Pesar 4g de Fenol 8ml ácido sulfúrico (conc.)

Baño aceite @ 𝑇 = 100°𝐶 Adición del fenol

PREPARACIÓN DE REACTIVOS (Matraz de fondo redondo)

CONDENSACIÓN

Baño de hielo-agua NaOH agitar

Calentar @ 𝑇 ≈ 130°𝐶 𝑡 = 15 𝑚𝑖𝑛 50ml de etanol 10ml H2O Agitar

Rojo intenso y enfriar @ 𝑇𝑎𝑚𝑏

PURIFICACIÓN (Matraz de 50 mL)

Disolución total

Baño maría

En caliente

FILTRACIÓN

SECADO

Recibir en baño de hielo-agua

Pesar fenolftaleína %R

DIAGRAMA INDUSTRIAL

Diagrama de flujo para la obtención del ácido pícrico

CÓDIGO DE COLOR Ácido sulfúrico Ácido nítrico Fenol Fenol sulfonado (fenol + ácido sulfúrico) Agente nitrante (H2SO4+HNO3) Cristales de Acido pícrico en solución Agua Cristales secos de Acido pícrico Aire

NOMENCLATURA DEL EQUIPO

•

MF

Medidor de flujo

T

Control de temperatura

CL

Medidor de nivel liquido

MP

Medidor de presión

A-1

Bomba de alimentación del ácido nítrico

A-2

Bomba de alimentación del ácido sulfúrico

A-3

Tanque mezclador de fenol y acido sulfúrico

A-4

Tanque mezclador del agente nitrante

A-5

Bomba de transferencia de la mezcla nitrante al reactor

A-6

Bomba de transferencia de fenol sulfonado

B-1

Reactor intermitente

B-2

Bomba de transferencia de la mezcla de reacción al cristalizador

C-1

Cristalizador

C-2

Centrifuga

C-3

Tolva

C-4

Secador rotatorio

D-1

Almacén de producto terminado

FÓRMULA GENERAL DE LA CINÉTICA DE REACCIÓN

−𝑟𝑓𝑒𝑛𝑜𝑓𝑡𝑎𝑙𝑒í𝑛𝑎 = 𝐶 𝛼𝑓𝑒𝑛𝑜𝑙 𝐶

−𝑟á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑝í𝑐𝑟𝑖𝑐𝑜 = 𝐶 𝛼𝑓𝑒𝑛𝑜𝑙 𝐶



á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑡á𝑙𝑖𝑐𝑜



á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑛í𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜

ENTALPÍA DE REACCIÓN(∆𝑯𝑹 ) •

ACIDO PÍCRICO

∆𝑯𝑹 = (+)

La sulfonación y la nitración del fenol, para la obtención de ácido pícrico, se llevó a cabo con calor, por lo que estas reacciones son endotérmicas .

•

FENOLFTALEÍNA

∆𝑯𝑹 = (+) La entalpia de reacción para la producción de fenolftaleína entre el fenol y el ácido ftálico, es endotérmica, ya que se le suministro calor.

CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS O EXPERIMENTALES

•

ÁCIDO PÍCRICO

COMPUESTO

PESO MOLECULAR (g/mol)

DENSIDAD (g/mL)

MASA (g)

VOLUMEN (mL)

NUMERO DE MOLES (mol)

94.11

1.071

1

---

0.0106

98.08

1.841

14.728

8

0.1502

63.01

1.395

8.37

6

0.1328

229.11

1.8

2.43

---

0.0106

Fenol C6H5OH

Ácido sulfúrico H2SO4

Ácido nítrico HNO3

Ácido Pícrico C6H3N3O7

De la ecuación:

𝝆= ∴𝑽=

𝒎 𝝆

𝒎 𝑽

∴𝒎=𝝆∙𝑽

Si el número de moles se expresa:

𝒏=

𝒎 𝑷𝒎

• Para el ácido sulfúrico ∴ 𝒎 = 𝝆 ∙ 𝑽 = (1.841 𝒏=

𝑔 ) (8 𝑚𝐿) = 14.728 𝑔 𝑚𝐿

𝒎 14.728 𝑔 = = 0.1502 𝑚𝑜𝑙 𝑷𝒎 98.08 𝑔 𝑚𝑜𝑙

• Para Fenol 𝒏=

𝒎

𝑷𝒎

=

1.0 𝑔 𝑔 = 0.0106 𝑚𝑜𝑙 94.11 𝑚𝑜𝑙

• Para el Ácido nítrico.

𝑔 ) (6 𝑚𝐿) = 8.37 𝑔 𝑚𝐿 𝒎 8.37 𝑔 = 0.1328 𝑚𝑜𝑙 𝒏= = 𝑷𝒎 63.01 𝑔 𝑚𝑜𝑙

∴ 𝒎 = 𝝆 ∙ 𝑽 = (1.395

• Para el fenol 𝑛C6H3N3O7 = 𝑛C6H5OH ( 𝑛C6H5N3O7 = 0.0106 𝑚𝑜𝑙 C6H5OH (

𝑛 C6H5N3O7 ) 𝑛C6H5OH

1 𝑚𝑜𝑙 C6H5N3O7 ) 1 𝑚𝑜𝑙 C6H5OH

𝑛C6H5OH = 0.0106 𝑚𝑜𝑙

𝒏=

𝒎 𝑷𝒎

𝑚 = 𝑛 ∙ 𝑃𝑚 = (0.0106 𝑚𝑜𝑙) (229.11

𝑔

𝑚𝑜𝑙

) = 2.43 𝑔

CALCULO DEL RENDIMIENTO

%𝑹 = %𝑹 =

𝒎𝑬𝒙𝒑𝒆𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒍 𝒙𝟏𝟎𝟎 𝒎𝑻𝒆𝒐𝒓𝒊𝒄𝒂

𝟏. 𝟓𝒈 𝒙𝟏𝟎𝟎 = 𝟔𝟏. 𝟕𝟑 % 𝟐. 𝟒𝟑 𝒈

•

FENOLFTALEÍNA

COMPUESTO

PESO MOLECULAR (g/mol)

DENSIDAD (g/mL)

MASA (g)

VOLUMEN (mL)

NUMERO DE MOLES (mol)

94.11

1.071

4

---

0.0425

98.08

1.841

1.841

1

0.0188

148.12

5.1

3.26

---

0.022

40

2.13

6.39

3

0.1598

318.33

1.299

6.78

---

0.0213

Fenol C6H5OH

Ácido sulfúrico H2SO4

Anhídrido ftálico (C6H4CO)2O

Hidróxido de sodio. NaOH

Fenolftaleína C20H14O4

De la ecuación:

∴𝑽=

𝒎 𝝆

𝝆=

𝒎 𝑽

∴𝒎=𝝆∙𝑽

Si el número de moles se expresa:

𝒏=

𝒎 𝑷𝒎

• Para el ácido sulfúrico ∴ 𝒎 = 𝝆 ∙ 𝑽 = (1.841 𝒏=

𝑔 ) (1𝑚𝐿) = 1.841 𝑔 𝑚𝐿

𝒎 1.841 𝑔 = 0.0188 𝑚𝑜𝑙 = 𝑷𝒎 98.08 𝑔 𝑚𝑜𝑙

• Para Fenol 𝒎
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