Síntesis de alquinos-Preparación y propiedades del acetileno PDF

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Comprender el proceso de obtención del gas acetileno o etino, a través de la reacción
del carburo de calcio comercial y el agua, así como conocer y entender las diferentes
propiedades químicas de los alquinos para su posterior comprobación....

Description

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Química y Textil Departamento Académico de Ingeniería Química Laboratorio de Química Orgánica I (QU 328 D)

Informe N° 9 Grupo N° 3 SÍNTESIS DE ALQUINOS -Preparación y propiedades del Acetileno

Periodo Académico 2020-II Fecha de realización: 06/02/2021 Fecha de Presentación: 13/02/2021 Lima - Perú

ÍNDICE GENERAL Objetivos

3

Fundamento Teórico

3

Materiales y reactivos

7

Procedimiento experimental

8

Diagrama de flujo

10

Seguridad en el laboratorio

13

Gestión de Residuos

14

Resultados Esperados

15

Conclusiones

17

Anexo

18

Referencia bibliográfica

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Pág. 2

SÍNTESIS DE ALQUINOS -Preparación y propiedades del Acetileno

Objetivos -

Comprender el proceso de obtención del gas acetileno o etino, a través de la reacción del carburo de calcio comercial y el agua, así como conocer y entender las diferentes propiedades químicas de los alquinos para su posterior comprobación.

Fundamento Teórico ALQUINOS Los alquinos son hidrocarburos que contienen enlaces triples carbono-carbono cuya fórmula molecular general para alquinos acíclicos es CnH2n-2. Se nombran sustituyendo la terminación -ano de los alcanos por -ino. El alquino más pequeño es el etino o acetileno; para la nomenclatura se elige como cadena principal la más larga que contenga el triple enlace y se numera de modo que este tome el localizador más bajo posible. (Fernandez, 2014) La química del enlace triple C-C es parecida a la del enlace doble. Lo que quiere decir que los alquinos experimentan casi las mismas reacciones que los alquenos, en especial las adiciones y las oxidaciones. (Wade, 2011)

Figura 1 .- Representación molecular de alcano , alqueno y alquino

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PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ALQUINOS Los alquinos tienen puntos de fusión y ebullición próximos a los de los correspondientes alcanos y alquenos. El triple enlace introduce una cierta polaridad en la molécula debido a que los carbonos “sp” son más electronegativos que los sp3, generando momentos dipolares. (Fernandez, 2014)

Figura 2 .- Polaridad del 2-butino y el propino Tabla N°1 .- Propiedades físicas de alquinos seleccionados

Nota : La tabla muestra los puntos de fusión y ebullición de ciertos alquinos en particular , Obtenido del libro de Química Orgánica Volumen 1 , autor L. Wade 2011 , pág. 390.

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ACIDEZ DE LOS ALQUINOS La acidez de un hidrógeno acetilénico se deriva de la naturaleza del enlace híbrido “sp” del =C-H. La tabla 9-2 muestra cómo la acidez de un enlace C—H cambia con su hibridación; se incrementa cuando aumenta el carácter “s” de los orbitales: sp3 < sp2 < sp. (Recuerde que un valor más pequeño de pKa corresponde a un ácido más fuerte.) El protón acetilénico tiene aproximadamente 1 a 19 veces la acidez del protón vinílico. (Wade, 2011)

Figura 3 .- Sustracción del H con amiduro de sodio en amoniaco líquido También :

Figura 4 .- Otras bases como hidruros metálicos y organometálicos de litio ESTABILIDAD DE LOS ALQUINOS Los alquinos internos se estabilizan, al igual que vimos con los alquenos, mediante la hiperconjugación.

Figura 5 .- Aumento de estabilidad

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Acetileno Estabilidad del Acetileno Debido a su elevado contenido energético, el acetileno se descompone de forma explosiva al comprimirlo y alcanzar determinada presión, incluso en estado líquido es peligroso. Por esta razón, el acetileno comercialmente se maneja en cilindros de acero con tabiquería de refractarios (con tierra de diatomeas) humedecido de acetona y hasta una presión de 14 atm, no pudiéndose manejar en balones de gases a presión como se hace con otros gases. (Rius Alonso, 2020)

Figura 6.- Calor desprendido o absorbido del acetileno

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Materiales y reactivos En la Tabla x se muestran los materiales que se usan en la práctica del laboratorio y se describe en qué parte del procedimiento se usan.

Tabla N°2 .- Descripción de los materiales utilizados Materiales

Descripción

Balón de destilación. Se utiliza para colocar el carburo de calcio y se lleve a cabo la reacción con el agua

Embudo de adición. Se utiliza para colocar el agua, la cual se añade poco a poco en el balón de destilación

1 trípode. Se utiliza para colocar encima el equipo generador de gas

1 soporte universal y 1 pinza. Se utiliza para fijar el equipo generador de gas

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Reactivos ● Carburo de calcio CaC2 ● Agua H2O Procedimiento experimental 1.

Obtención de gas acetileno Se introducen de 8 a 10 gramos de carburo de calcio (CaC2) en pequeños trozos a una bomba de separación a una temperatura ambiente. Luego se introduce agua destilada en una pera o embudo de adición el cual contiene una llave de flujo. Se procede a armar el sistema que permitirá generar el gas tal como se muestra en el diagrama de flujo. Para esto se usa un soporte universal, una pinza universal, un kitasato con tapón horadado conectado a una manguera, y ésta a su vez conectada a un tubo en “L”, mediante un recipiente hidroneumático el cual contiene agua. Se debe asegurar el corcho o tapón de jebe horadado con el vidrio del Kitasato de manera hermética. Una vez ensamblado el equipo de trabajo, se deja caer el agua líquida destilada a través de la pera de separación, comenzando gota a gota incrementando el caudal poco a poco con la finalidad de generar la formación del gas acetileno.

2.

Identificación de Acetileno Se aprovechan las propiedades químicas del acetileno para proceder a comprobar la presencia de este mediante diferentes tipos de reacciones. a.

Combustión Luego de conseguir la formación del gas acetileno a través de la manguera según el procedimiento anterior, se aprecia el burbujeo causado por el gas y se

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recoge usando un tubo de ensayo mediante el paso del gas por la manguera hasta llenar el tubo de gas. Luego, encender un cerillo y acercarlo a la boca del tubo de ensayo (sostenido verticalmente y boca abajo) para así lograr identificar la presencia de carbono negro alrededor de la boca del tubo de ensayo y el desprendimiento de gas CO2. b.

Oxidación con Permanganato Se introduce a un tubo de ensayo alrededor de 5 ml de solución de KMnO4 al 5% y luego se añade 5 ml de agua destilada. De esta manera se procede luego a burbujear el gas acetileno formado según el procedimiento indicado anteriormente en el tubo de ensayo con solución de permanganato de potasio hasta notar una decoloración.

c.

Bromación Se procede a introducir en un tubo limpio y seco alrededor de 5 ml de solución de bromo diluida en tetracloruro de carbono. Finalmente se procede a burbujear el gas acetileno hasta notar la decoloración del contenido de forma lenta.

d.

Formación de Halohidrinas Se procede a introducir en un tubo limpio y seco alrededor de 5 ml de solución de bromo diluida (coloración amarilla. Finalmente se procede a burbujear el gas acetileno hasta notar la decoloración del contenido.

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Diagrama de flujo 1.

Obtención de gas acetileno

Figura 7.- Obtención de gas acetileno

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2.

Identificación de Acetileno a.

Combustión

Figura 8.- Reacción de combustión b.

Oxidación con Permanganato

Figura 9.- Oxidación con solución de KSCN.

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c.

Bromación

Figura 10.- Bromación con tetracloruro de carbono (medio no acuoso). d.

Formación de Halohidrinas

Figura 11.- Formación de Halohidrinas en medio acuoso. Pág. 12

Seguridad en el laboratorio Tabla N°3 .- Ficha de seguridad del CaC2 Carburo de calcio CaC2 Peligros ● En contacto con el agua desprende gases inflamables que pueden inflamarse espontáneamente. ● Provoca irritación cutánea. ● Provoca lesiones oculares graves. ● Puede irritar las vías respiratorias. Precauciones ● Mantener alejado de cualquier posible contacto con el agua, pues reacciona violentamente y puede provocar una llamarada. ● Manipular en gas inerte y proteger de la humedad. ● Evitar respirar el polvo. ● Llevar guantes de protección, gafas de protección y máscara de protección. ● En caso de incendio: Utilizar arena seca, polvo químico seco o espuma resistente al alcohol para apagarlo. Primeros auxilios ● Si es inhalado, mueva la persona al aire fresco. Si ha parado de respirar, hacer la respiración artificial. ● En caso de contacto con la piel, lavar con jabón y mucha agua. ● En caso de contacto con los ojos, lavarse a fondo con agua abundante durante 15 minutos por lo menos y consulte al médico. ● Si es tragado, no administrar nada por la boca si la persona está inconsciente. Enjuague la boca con agua. Consultar a un médico.

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Gestión de Residuos Información Ecológica del Acetileno No se espera ningún efecto ecológico. El acetileno no contiene ningún químico Clase I o Clase II que reduzca el ozono. No se anticipa ningún efecto en la vida de las plantas. No causa daño a la vida acuática. Es moderadamente tóxico en peces. Su volatilidad y baja solubilidad sugieren que el agua no se pondrá en estado de polución crítica debido a escapes accidentales. El Acetileno por sus características se encuentra dentro del listado de los productos que si se almacenan, producen o transportan en cantidades iguales o mayores a 500 Kg se considera la actividad como de alto riesgo. (C.V, 2010) Método de Eliminación de Desechos: No intente colocar gas residual en otros cilindros. Regrese el acumulador a INFRA para desecharlo. No descargar en áreas donde hay riesgo de que se forme una mezcla explosiva con el aire. El gas residual debe ser quemado a través de un quemador adecuado que disponga de anti-retroceso de llama.(C.V, 2010) Condiciones de Almacenamiento Seguro: Los envases deben ser almacenados en un lugar especialmente construido y bien ventilado, preferiblemente al aire libre. Tener en cuenta todas las leyes y requisitos locales sobre el almacenamiento de envases. Los envases almacenados deben ser controlados periódicamente en cuanto a su estado general y fugas. Proteger los envases almacenados al aire libre contra la corrosión y las condiciones atmosféricas extremas. Los envases no deben ser almacenados en condiciones que puedan acelerar la corrosión. Los envases deben ser almacenados en posición vertical y asegurados para prevenir las caídas. Las válvulas de los contenedores deben estar bien cerradas y donde sea necesario, las salidas de las válvulas deben ser

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protegidas con tapones. Los protectores de las válvulas o tapones deben estar en su sitio. Mantener los envases herméticamente cerrados en un lugar fresco y bien ventilado. Los envases deben ser almacenados en lugares libres de riesgo de incendio y lejos de fuentes de calor e ignición. Los cilindros llenos se deben separar de los vacíos. No permitir que la temperatura de almacenamiento alcance los 50ºC (122 °F). Prohibido fumar en las zonas de almacenamiento o durante la manipulación de productos o los envases. Colocar señales "Se prohíbe fumar y usar el fuego abierto" en las áreas de almacenamiento. La cantidad almacenada de gases inflamables o tóxicos debe ser mínima. Devolver los envases una vez que se desocupen. (Products, 2018) Resultados Esperados ❏ Reacciones del acetileno obtenido A. Combustión: El acetileno por ser un gas muy inflamable y al no estar en contacto con la flama, simplemente se consume, hubo una combustión total del acetileno, formándose una reacción exotérmica violenta. Completa: 2C2H2+5O2→4CO2+2H2O Incompleta: 2C2H2+3O2→4CO+2H2O Reducida: 2C2H2+O2 ⟶4C+2H2O

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B. Oxidación débil Oxidación con permanganato:el permanganato por ser un agente oxidante fuerte, oxida al acetileno formando una acido metanoico (acido fórmico). 𝐶𝐻☰𝐶𝐻 + 𝐾𝑀𝑛𝑂4⟶2𝐻 − 𝐶𝑂𝑂𝐻

Figura 12.- Reacción del Acetileno y permanganato de Potasio C. Bromación: El bromo se adiciona al acetileno formando un alqueno halogenado, por lo que en la reacción el color de la solución de bromo cambia. 𝐶𝐻☰𝐶𝐻 + 𝐵𝑟 ⟶𝐶𝐻𝐵𝑟＝𝐶𝐻𝐵𝑟 2

D. Acetileno y nitrato de plata:El acetileno es un compuesto ácido que al reaccionar con el AgNO3 se lleva a cabo una reacción ácido-base de Lewis donde hay formación de acetiluros de plata. 𝐶𝐻☰𝐶𝐻 + 𝐴𝑔𝑁𝑂3⟶𝐴𝑔𝐶☰𝐶𝐴𝑔↓ El Acetileno se obtiene por medio de la reacción de hidrólisis de carburo de calcio [CaC2]. Lo que sucede en esta reacción es que los dos carbonos que están enlazados con el calcio, se saturan con dos hidrógenos y ocurre una reacción de desplazamiento donde se crea un hidróxido en relación con el agua. Los carbonos rompen el enlace

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con el calcio y se unen entre sí creando un triple enlace (Acetileno (etino) [C2H2]) el calcio que queda con dos valencias libres se une con los dos hidróxidos formándose un enlace sencillo. .El acetileno se obtiene por la reacción de carburo de calcio y agua. El gas formado en esta reacción tiene un olor desagradable debido a la fosfina presente como impureza. La ecuación química para la obtención del acetileno es: 𝐶𝑎𝐶2 + 𝐻2𝑂 → 𝐻𝐶☰𝐶𝐻 + 𝐶𝑎(𝑂𝐻)

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Conclusiones -

Se logró comprender como obtener el acetileno de manera fácil y económica como la hidrólisis de carburo de calcio. Se conocieron ciertas características de los hidrocarburos insaturados, sobre todo del acetileno del cual ahora podemos afirmar que presenta gran flamabilidad además de que presenta gran versatilidad para derivar muchos compuestos diferentes a partir de este alquino.

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Se conoció el comportamiento y las reacciones en las que puede participar el acetileno.

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Anexo Aplicaciones industriales (Actualidad tecnológica, mercado nacional e internacional) ACETILENO A PARTIR DE CARBURO CÁLCICO Carburo cálcico: La fuente tradicional del acetileno proviene del carburo cálcico, se sintetiza a partir de cal viva con carbón a altas temperaturas entre 2000-2500°C. 𝐶𝑎𝐶𝑂3 → 𝐶𝑎𝑂 + 𝐶𝑂2 𝐶𝑎𝑂 + 3𝐶 → 𝐶𝑎𝐶𝑂2 + 𝐶𝑂 Obtención de acetileno:

𝐶𝑎𝐶2 + 2𝐻2𝑂 → 𝐶2𝐻2

+ 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 ∆𝐻 =− 129 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙

El carburo cálcico entra en contacto con el agua liberando exotérmicamente etileno e hidróxido cálcico. El proceso industrial puede darse: A. En húmedo con exceso de agua B. En seco con el agua estequiométrica más la necesaria para disipar el calor desprendido

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Figura13.- Generador húmedo de presión media

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Figura 14.- Obtención de carburo cálcico

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Referencia bibliográfica ● Fernandez, G. (2014). Quimica Organica. Oviedo: Academia Minas Centro Universitario. ● Products, A. (17 de enero de 2018). Hoja de Seguridad de Datos- Acetileno . ● Rius Alonso, C. A. (2020). Alquinos. (J. L. Breña Oré, & E. Neira M., Edits.) Obtenido de https://drive.google.com/file/d/1lw8rv7YTCgWdzOrFEpEFsfRvIc7ZunXm/view ● S.A, I. (2010). HOJA DE DATOS DE SEGURIDAD (HDS) ACETILENO – C2H2 (GAS). Naucalpan de Juárez., México. ● Sigma-Aldrich (2015). Ficha de datos de seguridad del carburo de calcio. https://www.javeriana.edu.co/documents/4486808/5015300/Calcio+carburo.pdf/5940 bd5e-ac78-4b01-b701-9019a109d66b?version=1.0 ● Wade, L. (2011). Química orgánica (Vol. 1). Mexico: Pearson Educacion.

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