Fundamentos quimicos de la ingenieria



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PRÁCTICAS DE LABORATORIO


QUÍMICA II

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ORGÁNICA

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID









CURSO 2003-2004

CALENDARIO DE PRACTICAS DE LABORATORIO




SESIONES DE PRÁCTICAS

subgrupos

L1

L2

L3

1-1 CR

17-febrero(Ma)

16-20,30h



18-febrero (X)

18-21h


19-febrero (J)

16-20,30h



1-2 CR

16-marzo (Ma)

16-20,30h



17-marzo (X)

18-21h


18-marzo (J)

16-20,30h



2-1 JF

20-febrero (V)

16-20,30h



23-febrero(L)

16-20,30h



24-febrero(Ma)

18-21h


2-2 CR

14-abril (X)

16-20,30h



15-abril(J)

18-21h


16-abril (V)

16-20,30h



3-1 AS

9-marzo(Ma)

16-20,30h



11-marzo (J)

16-20,30h



12-marzo (V)

18-21h


3-2 AS

23-marzo (Ma)

16-20,30h



25-marzo (J)

16-20,30h



30-marzo (Ma)

18-21h


4-1 HE

5-marzo (V)

16-20,30h



8-marzo (L)

18-21h


10-marzo (X)

16-20,30h



4-2 HE

22-marzo (L)

16-20,30h



24-marzo (X)

16-20,30h



26-marzo (V)

18-21h


5-1 YO

1-marzo (L)

18-21h


2-marzo (Ma)

16-20,30h



4-marzo (J)

16-20,30h



5-2 YO

20-abril (Ma)

16-20,30h



21-abril (X)

18-21h


22-abril (J)

16-20,30h



6-1 YO

25-febrero (X)

16-20,30h



26-febrero (J)

18-21h


27-febrero (V)

16-20,30h



6-2 YO

29-marzo (L)

16-20,30h



31-marzo(X)

16-20,30h



1-abril (J)

18-21h


7-1 ME

19-febrero(J)

9-13,30h


20-febrero (V)

9-13,30h


24-febrero(Ma)

9-12h


7-2 ME

2-marzo (Ma)

9-13,30h


4-marzo (J)

9-13,30h


5-marzo (V)

9-12h


8-1 ME

26-febrero(J)

9-13,30h


27-febrero (V)

9-13,30h


1-marzo (L)

9-12h


8-2 ME

22-marzo (L)

9-12 h


23-marzo (Ma)

9-13,30h


25-marzo (J)

9-13,30h



Subgrupos (desde 1-1 hasta 8-2): Corresponden a la división de cada grupo de teoría (desde el 1 hasta el 8) en dos subgrupos ( 1 y 2) para la realización de las prácticas. La composición de cada uno de estos subgrupos está expuesta en el tablón de anuncios del Departamento.
Sesiones de prácticas

Primera práctica: Sintesis de polímeros: poliestireno

Segunda práctica: Preparación de un jabón y de un detergente

Tercera práctica: Separación y purificación de compuestos orgánicos


Realización de las prácticas: Laboratorio de Química (segunda planta)
QUÍMICA II

PRÁCTICAS DE LABORATORIO

Es necesario llegar al convencimiento de que la parte más importante del estudio de la Química son los ejercicios prácticos. Todos los progresos realizados en esta ciencia han sido llevados a cabo por medios experimentales; es decir, en el laboratorio. Por todo esto es indispensable prestar la máxima atención a los trabajos en el laboratorio, preparando de antemano la correspondiente práctica y aplicando con el máximo rigor las instrucciones que se dan.

Hay que resaltar que en el laboratorio se manipulan continua­mente sustancias peligrosas y que, por tanto, nuestra seguridad y la de nuestros compañeros depende de la atención que pongamos en nuestro trabajo.

NORMAS DE CARÁCTER GENERAL



A) Personales

1) Es obligatorio el uso de bata de laboratorio, gafas protectoras y guantes, como medidas elementales de seguridad.

2) Antes de ir al laboratorio debe estudiarse el fundamento de la práctica correspondiente y las instrucciones para realizarla, aclarando cualquier duda con la ayuda de los libros de texto de que se disponga.

3) Cualquier duda que surja durante el desarrollo de las Prácticas debe consultarse con el Profesor de prácticas, al que debe comunicarse cualquier accidente que se produzca por pequeño que parezca.

4) Los alumnos deben abstenerse en absoluto de realizar experimentos por propia iniciativa, así como modificar los que se propongan.

5) Si cae en los vestidos ácido sulfúrico o cualquier otro ácido, lavar con abundante agua ,y neutralizar inmediatamente con bicarbonato.

6) Trabajar con atención y cuidado para evitar accidentes.

7) No echar, en ningún caso, papeles o productos sólidos en las pilas de desagüe.

8) Una vez terminada la práctica, dejar el sitio ocupado perfectamente limpio.

B) Productos y material

1) Antes de utilizar un producto, asegurarse bien de que efectivamente es el que nos interesa.

2) No separar nunca un tapón de su correspondiente frasco, para evitar confusiones y la consiguiente contaminación de los productos.

3) Los ácidos fuertes concentrados deben manejarse con precaución, ya que pueden producirse proyecciones de líquido con peligro de quemaduras peligrosas. Siempre se echan sobre el agua, nunca al revés.

4) No calentar nunca líquidos inflamables directamente en una placa.

5) No calentar nunca un recipiente cerrado.

6) Después de cada operación, debe limpiarse bien el material y, una vez terminado el trabajo, debe guardarse limpio.

C) Manipulación

1) Cuando se caliente un tubo de ensayo que contenga un líquido hay que hacerlo suavemente y de modo que el tubo NO MIRE al operador ni a ninguno de sus compañeros pues pueden producir­se proyecciones de líquido con peligro de quemaduras.

2) No hay que introducir pipetas, varillas de vidrio ni cualquier otro objeto en los frascos de los reactivos. Ello puede producir la contaminación de los productos.

3) No deben olerse directamente los vapores desprendidos en ningún proceso, ni probar ningún producto.



IMPORTANTE

Todos los alumnos deberán acudir al laboratorio provistos de:


UNA BATA DE LABORATORIO


UNAS GAFAS PROTECTORAS

UN PAR DE GUANTES QUIRURGICOS

UNA ESPÁTULA DE LABORATORIO

Además, es fundamental que cuando inicie las prácticas haya leído en profundidad los guiones de las mismas, conociendo tanto su fundamento teórico como el trabajo que deberá realizar y la forma de abordarlo.


PRIMERA PRÁCTICA
SÍNTESIS DE POLÍMEROS: POLIESTIRENO


Objetivo


Obtención de poliestireno y análisis de algunas de sus propiedades físicas y químicas características.

Material y productos


Tubos de ensayo y gradilla, tapones de corcho, varilla hueca, mechero bunsen y estufa de secado.

Productos:

  • Peróxido de benzoilo, estireno, etanol, tolueno.


Fundamento teórico


Se denominan polímeros a aquellos compuestos, naturales o sintéticos, que están formados por repetición de una misma unidad estructural. La formación de poliestireno es un ejemplo del proceso llamado polimerización: la unión de muchas moléculas pequeñas para dar origen a moléculas muy grandes. El compuesto formado por estas grandes moléculas se denomina polímero (del griego poli + meros, muchas partes). Los compuestos simples con los que se hacen los polímeros (por ejemplo, por reorganización de los enlaces de valencia) se conocen como monómeros (mono, uno).

Según el mecanismo de polimerización se clasifican en:



  • Polímeros de adición, en los cuales el monómero tiene un doble enlace por lo menos, como sucede con el polietileno, que se obtiene a partir del etileno y otros tales como el policloruro de vinilo, poliestireno, polipropileno y el plexiglás:

n CH2 = CH2  ..... (CH2 - CH2)n .....

(Eteno o etileno) (Grupo terminal) (Grupo terminal)



  • Polímeros de condensación, los cuales se forman con eliminación de agua, alcohol, un ácido, sal o amina, u otras moléculas sencillas entre los que tenemos a las proteínas, el dacrón, el nylón y la baquelita:

n(HOCH2 - CH2OH)  HOCH2 - CH2 - (OCH2 - CH2)n-2 - OCH2 - CH2OH + (n-1)H2O

Desde el punto de vista de sus propiedades físicas y estructurales se clasifican en:



  • Polímeros lineales y ramificados (poliestireno, polipropileno y policloruro de vinilo), que pueden ser más o menos cristalinos y comprenden distintos polialquenos. Funden por calentamiento y en este estado blando se puede moldear o extrudir (polímeros termoplásticos).

  • Polímeros de red espacial (resinas fenol-formaldehído, urea-formaldehído, resinas epoxi, etc.), que tienen muchos enlaces cruzados, formando estructuras tridimensionales, aunque irregulares y rígidas. Una muestra de ese material es esencialmente una sola molécula gigantesca. El calentamiento no la ablanda, no funden (polímeros termoestables) puesto que el ablandamiento requiere la ruptura de enlaces covalentes: incluso, puede generar enlaces cruzados adicionales (polímeros termoduros).

Síntesis del poliestireno.

Después del polietileno y PVC (policloruro de vinilideno), es el plástico de mayor consumo. El poliestireno, polímero atáctico, amorfo y transparente, se obtiene a nivel industrial por polimerización radicalaria del estireno (líquido incoloro que hierve a 146 ºC y debe guardarse en oscuridad porque, con la luz, se polimeriza convirtiéndose en una masa sólida) con peróxidos en masa o suspensión. El poliestireno presenta una estructura lineal, se reblandece a menos de 100 ºC y es fácilmente moldeable por extrusión, pero no se puede esterilizar. Es un buen aislante eléctrico, combustible y soluble en disolventes orgánicos.

La polimerización del estireno implica una serie de etapas. La presencia del grupo fenilo del estireno aumenta la reactividad del grupo vinilo (-CH=CH2). La reacción debe controlarse para evitar alteraciones, pues es exotérmica. Como el monómero (estireno) va acompañado de una quinona y otro protector que evita su polimerización a la temperatura ambiente, deberá añadirse un iniciador de la reacción (peróxido de benzoilo, por ejemplo, con precaución, pues es explosivo en forma sólida) que opera rompiéndose para generar un radical libre. Este radical se une a la molécula del alqueno formando así otro radical libre, que se agrega a otra molécula de alqueno, y así sucesivamente. La cadena se termina por pasos, como la unión de dos radicales, que consumen, pero no generen radicales.

Etapas del proceso de polimerización, via radicalaria:


  1. I
    niciación




  1. Propagación





  1. Terminación



Procedimento experimental

Se colocan en un tubo de ensayo 0,005 g de peróxido de benzoilo y se le añaden 2,5 mL de estireno (el peróxido será distribuido por el profesor encargado de la práctica). La adición del estireno será llevada a cabo en la campana de extracción de gases. Se tapa el tubo con un tapón de corcho sin apretarlo demasiado y se coloca en la gradilla existente en la estufa de secado, una vez etiquetado, manteniendo su temperatura a 80 ºC durante un mínimo de 48 horas.

Una vez haya polimerizado el estireno, se sacará el tubo de ensayo de la estufa y se depositará inmediatamente en la gradilla designada para ello. Posteriormente, se romperá el tubo (PRECAUCIÓN), obteniéndose el correspondiente polímero. Entregar la muestra obtenida al profesor para su comprobación.

A continuación verificar con el poliestireno obtenido los siguientes ensayos:



  • Observar su aspecto, color y dureza.

  • Observar su fusibilidad, cortando una pequeña porción y colocándola en el interior de un tubo de ensayo. Se calienta lentamente con la ayuda de un mechero bunsen y se observa si funde. En caso de fusión, probar si forma fibra, al tocar con otras varillas, estirando lentamente.

  • Observar con una pequeña porción de la muestra su solubilidad en agua, alcohol y tolueno.


Cuestiones


  1. Justificar la solubilidad del polímero con base en los resultados experimentales.

  2. ¿Por qué el poliestireno se puede hilar?.

SEGUNDA PRÁCTICA
PREPARACIÓN DE UN JABÓN Y UN DETERGENTE
Los jabones y los detergentes se encuentran entre los productos químicos más utilizados en la vida cotidiana. La práctica no solo tiene interés histórico, sino también actual, ya que nos acerca a un proceso sencillo de importancia industrial.

El proceso de fabricación del jabón se basa en la hidrólisis alcalina (saponificación de una grasa), es decir, en el tratamiento en caliente de ésta con una base. La solución alcalina descompone la grasa en sus componentes: un alcohol (el glicerol) y una sal de ácido graso de cadena larga (un jabón). Cuando se añade sal común (NaCl) el jabón precipita. Las sales de ácidos grasos contienen generalmente de 12 a 18 átomos de carbono, algunas pueden presentar insaturaciones. La longitud de la cadena hidrocarbonada y el número de dobles enlaces en la parte correspondiente al ácido carboxílico es lo que determina las propiedades del jabón resultante.

En la siguiente figura se representa la reacción de hidrólisis de una grasa; para simplificar, se ha representado que los tres grupos R son iguales, pero en realidad no suele ser así. Normalmente, los jabones que se obtienen son mezclas de sales de ácidos grasos.

Una de las desventajas del jabón es que resulta un limpiador ineficaz en aguas duras. Llamamos así a las de alto contenido en sales de magnesio, calcio y hierro. Cuando se usa un jabón en aguas duras se forman las sales de los ácidos carboxílicos con dichos cationes, que son insolubles y precipitan en forma de coágulos o grumos. Por el contrario, en aguas blandas el jabón es un adecuado agente limpiador.




Para evitar estos inconvenientes se suele añadir al jabón sustancias que ablanden el agua. El carbonato de potasio y el fosfato de sodio precipitan los iones magnesio, calcio, etc., en forma de carbonato y fosfato insolubles. Desgraciadamente, estos precipitados pueden alojarse en los tejidos dándole un color blancuzco. A pesar de todo, el jabón presenta una ventaja importante: es biodegradable. Los microorganismos son capaces de consumir las moléculas lineales de jabón convirtiéndolas en agua y dióxido de carbono.


Objetivos

El objetivo de ésta práctica es realizar la preparación de un jabón y de un detergente y comparar su comportamiento diferente en agua dura debido a su diferente estructura molecular.


Material y productos

Dos vasos de precipitados de 100 ml, un vaso de precipitados de 250 ml, termómetro de 100°C, papel de filtro, papel indicador, varillas de vidrio, alfiler o trozo de alambre.

Aceite, NaOH (disolución 6 M y lentejas), dodecanol, H2SO4, fenolftaleína, agua destilada.

MODO DE OPERAR



Preparación de jabón

En un vaso de precipitados de 100 ml se colocan 20 g de grasa (también puede servir sebo, aceite vegetal o mezclas de sustancias). Se calienta hasta unos 45°C (hasta que se funda si se parte de un sólido). En otro vaso de precipitados se disuelven 2g de NaOH en la mínima cantidad de agua, se añaden 5 ml de etanol a la disolución y se calienta a unos 35°C. Esta disolución se añade lentamente sobre la grasa fundida, mientras se agita continuamente la mezcla. La mezcla se mantiene agitando en caliente durante unos 15 minutos, hasta que se completa la reacción de saponificación, obteniéndose una sustancia densa, momento en el que se puede añadir si se desea algún aceite oloroso. Si la mezcla no espesa se calienta al “baño María” durante unos 30 minutos más. El jabón se vierte entonces sobre un vaso de papel que servirá de molde y se deja reposar.

Determinar la alcalinidad del jabón utilizando para ello un trozo de papen indicador. Si es superior a 9, el jabón es demasiado básico como para ser utilizado como jabón.
Preparación de un detergente


En esta práctica se va a preparar un conocido detergente : el laurilsulfato de sodio. El esquema de síntesis que se va a seguir es:

En un vaso de precipitados de 100 ml se prepara una disolución de 15g de dodecanol y 10 ml de ácido sulfúrico concentrado. En otro vaso de precipitados de 100 ml se preparan 30 ml de una disolución de NaOH 6 M, a la que se añaden 3 gotas de fenolftaleína. Añadir muy lentamente, y con agitación constante, la disolución ácida sobre la básica sin permitir que la mezcla se caliente demasiado. Según se va produciendo la adición, la mezcla se coloreará de rosa y luego este color irá desapareciendo a la vez que se va formando un precipitado blanco, momento en que se da por finalizada la adición de disolución ácida. Filtrar y secar a continuación el sólido obtenido utilizando para ello el sistema de filtración a vacío (Büchner-quitasato).



Ensayos




  1. Comparar la capacidad para formar espumas del jabón y el detergente obtenidos en:

  • Agua destilada.

  • Agua del grifo.

  • Agua dura, preparada al disolver en agua una pequeña cantidad de cloruro cálcico anhidro.




  1. Examinar el efecto que produce en la tensión superficial del agua, la presencia de jabón o detergente. Para ello se llena un vaso con agua y con cuidado se coloca en la superficie, de modo que flote, un alfiler o un pequeño trozo de alambre. Si no se hunde es debido a la tensión superficial. Entonces se añade en el agua un poco de jabón o del detergente obtenido y se observa lo que ocurre.



Anotar y explicar el resultado de los ensayos realizados

Cuestiones





  1. Escriba las reacciones que tienen lugar en los procesos de obtención del jabón y del detergente.

  2. ¿Por qué se hunde el trozo de metal cuando se añade jabón o detergente al agua?.



TERCERA PRÁCTICA

SEPARACIÓN Y PURIFICACIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS




Objetivos

Conocer las tres operaciones básicas más utilizadas en la separación y purificación de compuestos orgánicos: extracción, destilación y recristalización y aplicación de dichas técnicas a la separación de tres productos de carácter neutro, básico y ácido.


Material y productos

Embudo de decantación, erlenmeyers, vasos de precipitados, büchner-kitasato, papel de filtro, embudo cónico, equipo completo de destilación: matraz esférico, refrigerante de bolas y recto, cabeza de destilación, termómetro, tubo colector, gomas de refrigerante. Tubos de ensayo y gradilla.


Productos

Disolución en diclorometano (CH2Cl2) de tres compuestos: neutro, básico y ácido, HCl (2M), NaOH (2M) y CH2Cl2.

Técnicas básicas




Decantación
Consideraciones generales

Si se mezclan sustancias no miscibles, como un sólido con un líquido, con el que no reaccione, o un líquido con otro en el que no se disuelva, y se las deja reposar, se depositan separándose en fases según su densidad. La fase más densa queda siempre en la parte inferior.

La operación que tiene por fundamento la separación de sustancias no miscibles, de distinta densidad, se llama decantación.



Forma de operar

Lavado de un líquido orgánico: decantación en embudo.

En el embudo de decantación se coloca el líquido orgánico, al que se añade el líquido de 1avado. Al no ser solubles, aparecerán dos fases separadas por la llamada “interfase”. Se agita bien, cerrando convenientemente con el tapón de regata; se le sujeta con la mano izquierda y se agita fuertemente invirtiendo el embudo; con la derecha se sujeta la llave, que se abrirá de vez en cuando para eliminar la sobrepresión que pueda producirse. Tras repetidas agitaciones se pone el embudo sobre el aro en su posición normal y deja que se separen las fases . Se debe poner siempre un recipiente debajo del embudo para evitar la pérdida de producto por goteo.

Para separar las fases se quita el tapón de modo que permita la entrada de aire, y al abrir la llave comenzará a fluir la fase más densa, y se cierra al alcanzar la "interfase".

La fase menos densa se recogerá vertiendo el líquido por la boca del embudo, con lo que se evita el contacto de esta fase con las gotas del líquido más denso adheridas al tubo interior bajo la llave.




Extracción
Consideraciones generales

La extracción con disolventes es una técnica de separación de compuestos (sólidos, líquidos o gaseosos) en la que se aprovecha las diferencias de solubilidad de los componentes de una mezcla en un disolvente adecuado. La situación ideal (únicamente una de las sustancias es soluble y el resto insoluble, o la contraria, sólo una insoluble y las demás solubles) se alcanza muy pocas veces. En la realidad todos los componentes son más o menos solubles y la extracción proporciona mezclas enriquecidas o muy enriquecidas en una determinada sustancia, que es preciso purificar posteriormente.

La solubilidad en agua y en disolventes orgánicos de compuestos con propiedades ácidas o básicas depende del pH de la solución en que se encuentran y pueden variarse con él. Ello permite separar con facilidad por extracción sustancias ácidas y básicas, entre sí, y de otras de carácter neutro.

En efecto, un número muy elevado de compuestos orgánicos que poseen carácter ácido no son solubles en agua y sí en disolventes orgánicos; por el contrario, el comportamiento de sus sales metálicas es exactamente el inverso, son solubles en agua e insolubles en disolventes orgánicos. Bastará pues convertir un ácido en su sal sódica, por ejemplo, para hacerlo soluble en agua y poderlo extraer con ella de una solución en un disolvente orgánico en la que se encuentre. Si el extracto acuoso se acidifica con un ácido más fuerte que el compuesto (ác. sulfúrico o ác. clorhídrico diluidos) se desplaza éste de la sal, y se convierte de nuevo en ácido libre, soluble en disolventes orgánicos e insoluble en agua.

De modo totalmente análogo, numerosos compuestos orgánicos con propiedades básicas son insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos. Su tratamiento con ácidos, por ejemplo, ác. clorhídrico, genera sales, solubles en agua e insolubles en disolventes orgánicos; ello permite la extracción con un ácido acuoso de una base orgánica de la solución en que se encuentra. Como en el ejemplo anterior, el tratamiento ulterior de dicha sal con una base fuerte (por ejemplo, hidróxido sódico) libera la base orgánica libre, insoluble en agua y soluble en disolventes orgánicos.





CLASIFICACION DE LOS COMPUESTOS ORGANICOS SEGUN SU SOLUBILIDAD


Grupo 1º


Grupo 2º


Grupo 3º


Grupo 4º


Grupo 5º


Grupo 6º


Grupo 7º


Compuestos solubles en agua y CH2Cl2


Compuestos solubles en agua pero insolu-bles en éter


Compuestos solubles en solución de NaOH al 5%


Compuestos solubles en solución de HCl al 5%


Compuestos que no contienen N ni S y son solubles solamente en H2SO4


Compuestos insolubles en H2SO4 concentrado


Compuestos que contienen N y S y no están incluidos en los grupos 1º, 2º, 3º y 4º

Términos inferiores de las series homólogas de:














a.- Ácidos y fenoles

b.- Aldehídos

c.- Cetonas

d.- Anhídridos

e.- Ésteres

f.- Alcoholes

g.- Aminas

h.- Nitrilos

a.- Hidroxiácidos

Ácidos dibásicos y ácidos polibásicos

b.- Glicoles

Polialcoholes

Polihidroxialdehídos

Polihidroxicetonas

c.- Amidas

Aminoácidos

Compuestos di- y poliaminados

Aminoalcoholes

d.- Ácidos sulfónicos

e.- Sales

a.- Ácidos

b.- Fenoles

c.- Algunos enoles

d.- Imidas, etc

e.- Nitrocompuestos primarios y secundarios

Oximas

f.- Mercaptanos



Tiofenoles

Sulfonamidas



a.- Aminas

b.- Hidracinas

c.- Oximas


a.- Hidrocarburos no saturados

b.- Algunos hidrocarburos aromáticos muy alquilados

c.- Aldehídos

d.- Cetonas

e.- Ésteres

f.- Anhídridos

g.- Alcoholes

h.- Éteres

i.- Haluros de acilo y otros derivados halogenados de las clases c) - h)


a.- Hidrocarburos acíclicos

Cicloparafinas

b.- Hidrocarburos aromáticos

c.- Derivados halogenados de a) y b)

d.- Éteres diarílicos



















­

Las sustancia neutras no se afectan evidentemente por los ácidos y las bases y mantienen su solubilidad característica en presencia de éstos.

El aislamiento y purificación de los compuestos (neutros, ácidos o básicos) que se encuentran en las soluciones en disolventes orgánicos resultantes de los tratamientos anteriores, se realiza de acuerdo con la secuencia de operaciones siguiente: (a) desecación de las mismas con un agente deshidratante, (b) eliminación del disolvente por destilación, y (e) cristalización o sublimación del residuo si se trata de un compuesto sólido, o destilación del mismo si es un líquido.

En la tabla anterior se agrupan los principales tipos de compuestos orgánicos en función de su solubilidad.



Forma de operar

La aplicación más frecuente de la extracción en el trabajo con compuestos orgánicos comporta su separación de soluciones o suspensiones en agua por acción de disolventes orgánicos (éter dietílico, cloruro de metileno, cloroformo, etc.) poco solubles en aquella. La agitación de la mezcla masa acuosa-disolvente en un recipiente adecuado (embudo de decantación o de llave) conduce a un sistema líquido con dos fases; la orgánica consistirá en una solución del compuesto deseado en el disolvente elegido, mientras que la fase acuosa podrá contener otras sustancias, interesantes o no. La relación de concentraciones del compuesto objetivo en el disolvente orgánico y en el agua cuando se ha alcanzado la situación de equilibrio se llama coeficiente de reparto (o de distribución), y su valor varía con la temperatura. La eficacia de la separación depende del coeficiente de reparto y aumenta con éste; el cálculo demuestra que varias extracciones realizadas con un volumen pequeño de disolvente conducen a mejores resultados que una sóla extracción llevada a cabo con un gran volumen del mismo.

La separación de ambas fases se realiza con facilidad, vaciando la inferior a través de la llave del embudo y recuperando la superior por la boca del mismo.




Cristalización simple
Consideraciones generales

Entre los métodos mas eficaces y fácilmente accesibles de purificación de sustancias, se encuentra la cristalización.

La ordenación geométrica en el espacio de los componentes de un cristal sólido, no tolera la presencia de sustancias ex­trañas, que quedarán disueltas como impurezas. Por ello los compuestos cristalinos sólidos pueden alcanzar elevado grado de pureza.

Se cristaliza:

a) Por FUSIÓN.

b) Por SUBLIMACIÓN,

c) Por DISOLUCIÓN.


Cristalización por disolución:

En una disolución, sobresaturada de sólido disuelto, se separa el exceso de éste en forma cristalina. Puede alcanzarse la sobresaturación, saturando a temperatura elevada, eliminando el disolvente por ebullición y dejando enfriar. Como ordinariamente los sólidos son más solubles en caliente que en frío, al descender la temperatura se alcanza la sobresaturación, y el compuesto cristaliza.

Con un enfriamiento rápido, los cristales son pequeños y retienen partículas de impurezas entre la masa cristalina; el enfriamiento lento da lugar a cristales de bello aspecto. Puede lograrse un único cristal mediante la adición, como cebo, de un cristalito bien formado, de la misma especie química, o por lo menos isomorfo.

Forma de operar

Se procede como sigue:

a) Pulverizar, mediante morteros de mano el producto sólido, lo más finamente posible.

b) Pesar, antes de añadir el disolvente. Si se desconoce la solubilidad, se añaden pequeñas cantidades de disolvente, agitar, y si no se disuelve del todo se adiciona más disolvente. En caso de haber añadido un ligero exceso, puede eliminarse por ebullición. Todo este último proceso se realiza a una temperatura superior a la ambiente controlándola mediante un termómetro.

c) La disolución se recoge sobre un cristalizador.

d) Se deja en reposo (espacio, tiempo y reposo son tres propiedades requeridas para una buena cristalización). Puede adicionarse un cristalito bien conformado, que sirva de cebo de la cristalización.

e) Se separan los cristales del disolvente por filtración y se lavan.

f) Se desecan los cristales llevándolos en una cápsula, a la estufa. Una vez secos se pesan y se calcula el rendimiento.

Para cerciorarse de que una disolución ha alcanzado suficiente concentración en orden a cristalizar, se introduce una varilla de vidrio en la disolución caliente y una vez fuera, se deja enfriar al aire: si aparecen depósitos de masa sólida, la disolución está a punto; de lo contrario, se ha de concentrar más.



Destilación fraccionada
Consideraciones generales

La destilación se emplea para separar dos o más líquidos miscibles de una mezcla, o para eliminar el disolvente de sustancias disueltas. Se aplica por tanto para separar o para purificar sustancias.

La operación destilación consiste fundamentalmente en calentar, suministrando calor al sistema, hasta el punto de ebullición de una de las sustancias, recogiendo los vapores que, refrigerados y condensados (sustracción del calor), pueden separarse en forma líquida.

En la operación denominada "destilación simple”, destila primero la porción más volátil, pero en realidad arrastra también parte de la porción menos volátil. La segunda porción destila después a temperatura superior.

Si destilamos de nuevo la porción recogida en el primer intervalo de temperaturas, obtendríamos a su vez dos porciones, la primera más rica en el componente más volátil y la segunda más rica en el componente menos volátil. Esto significa que si repetimos varias veces la destilación simple llegaríamos a obtener los dos componentes de la mezcla inicial prácticamente puros.

Podemos obtener el mismo resultado al tiempo que evitamos esta serie de destilaciones sucesivas, realizando una destilación fraccionada, que se diferencia de la destilación simple, en que en aquella se monta una columna de fraccionamiento entre el matraz y el refrigerante.

La columna de fraccionamiento o de rectificación consta de un tubo vertical de vidrio, en el que por medio de obstáculos se modifica su superficie interior, aumentándola.

Esta gran superficie de contacto facilita el intercambio de calor en condiciones de equilibrio entre el vapor ascenden­te, más caliente, y el condensado descendente, más frío. Esto da como resultado la aparición, a lo 1argo de la columna, de multitud de evaporaciones y condensaciones parciales, de modo que, a medida que asciende en la columna, el vapor es cada vez más rico en el componente más volátil.

Forma de operar

Hágase el montaje conforme al esquema de la figura, teniendo en cuenta las siguientes instrucciones:

- Al fijar las piezas de vidrio con pinzas o nueces metálicas, no se apretará; si se fijan piezas metálicas se apretará fuertemente.

- La parte inferior del termómetro ha de quedar a la altura de arranque del vástago lateral de forma que todo el bulbo de mercurio quede bañado por el vapor ascendente.

- Las uniones entre las distintas piezas del montaje han de ser perfectas para evitar las fugas. Se empleará grasa de silicona para evitarlas.

- La entrada y salida de agua en el refrigerante se hará de forma que el agua circule en contracorriente con el vapor que circula por dicho refrigerante.

- Se introduce la mezcla a destilar con ayuda de un embudo en el balón de fondo redondo directamente, así como un trocito de porcelana porosa para favorecer la ebullición.



No se inicia el calentamiento hasta que no circule agua por el circuito de refrigeración y el profesor haya revisado el montaje.

Comenzado el calentamiento se anota la temperatura que marque el termómetro cada minuto o cada medio minuto. La temperatura irá aumentando hasta que comience la destilación del componente más volátil, permaneciendo prácticamente constante la temperatura mientras destila este primer componente. Cuando la temperatura comience a subir de nuevo se retira el líquido destilado midiendo su volumen.

La destilación debe realizarse lenta pero sin interrupciones, procurando que siempre haya una gota de condensado en la base del termómetro.

En la figura 1 de la página siguiente se representa un equipo de destilación fraccionada como el que se va a utilizar en esta práctica.




Figura 1

Procedimiento Experimental (Sígase el esquema 1)

Para desarrollar la experiencia, el alumno recibe 15 mL de una solución, en cloruro de metileno, de dos o tres compuestos: uno ácido (ácido benzoico), uno básico (anilina, d = 1.02 g/ml) y uno neutro (nitrobenceno, d = 1.20 g/ml); la cantidad de cada uno de ellos en los 15 mL de solución es aproximadamente de 2 mL (o 2 g, si son sólidos).

1.-Diluya ésta con otros 15 mL de cloruro de metileno, dispóngala en un embudo de decantación y añada 30 mL de ácido clorhídrico 2M; agite el embudo repetidas veces para asegurar una buena extracción y déjelo reposar hasta la aparición de dos fases. Decante, sitúe en un vaso de precipitados la fase acuosa (que contiene la sal del posible compuesto básico) y lave la fase orgánica con 5 mL de agua; decante de nuevo, reúna el agua de lavado con la solución ácida precedente y etiquete el recipiente para su manipulación posterior.

2.- Trate la fase orgánica que tiene en el embudo con 30 mL de una solución acuosa de hidróxido sódico 2M, agite repetidas veces, deje reposar, decante, disponga la fase acuosa (solución en agua de la sal sódica del compuesto ácido que habrá de utilizar posteriormente) en otro vaso de precipitados, repita la extracción con otros 15 mL de hidróxido sódico 2M y posteriormente con 5 mL de agua, reúna todos los extractos acuosos y etiquete también este recipiente.




Esquema 1
El alumno posee en este momento: (a) una solución de cloruro de metileno en la que está un compuesto neutro, sustancia que no se ha visto afectada por el ácido y la base; (b) una solución acuosa ácida que puede contener una sustancia básica en forma de sal, y (c) una solución acuosa básica en la que se puede encontrar el compuesto ácido como sal sódica.

El aislamiento y purificación de los tres componentes de la mezcla debe realizarse como se indica a continuación:

a) Compuesto neutro. La solución en cloruro de metileno del mismo se lava con 5 ml de agua (el líquido de lavado se desecha), se trasvasa a un erlenmeyer y se seca sobre sulfato de sodio anhidro.

La solución seca se filtra, se traslada a un matraz de fondo redondo, previamente pesado con el plato poroso, el cloruro de metileno se elimina de la misma por destilación. El residuo que queda sin destilar se pesa para calcular el rendimiento del proceso.


b) La solución acuosa ácida de la sal del posible compuesto básico se neutraliza por adición gradual de una solución de hidróxido sódico 2M; el pH final puede ser ligeramente alcalino. El líquido así obtenido se traslada al embudo de decantación y se extrae con 15 mL de cloruro de metileno; la solución orgánica resultante (en la que estaría la sustancia básica) se separa por decantación y se seca con sulfato de sodio anhidro.

Se filtra, se destila el cloruro de metileno y, a continuación, el residuo que permanece sin destilar se pesa para calcular el rendimiento.


c) La solución acuosa alcalina, que puede contener la sal sódica del compuesto ácido, se trata con ácido clorhídrico concentrado, que se agrega gradualmente hasta alcanzar un pH ligeramente ácido: si se observa la aparición de un precipitado, es el compuesto ácido, insoluble en agua. La masa resultante se deja enfriar, se filtra por succión en un sistema Büchner-Kitasato, y el sólido resultante se escurre bien, se recristaliza, y, después de puro y seco se pesa para determinar el rendimiento de la operación. Observar si el compuesto obtenido es o no soluble en disolución de bicarbonato de sodio, con objeto de determinar si se trata de un fenol o de un ácido carboxílico.

Cálculos y resultados

1.- Representaciones gráficas T (ºC)/t min.), en papel milimetrado, de las destilaciones efectuadas. ¿Cuál es la temperatura de ebullición del cloruro de metileno)?.


2.- Determinación de los rendimientos de los compuestos obtenidos.

Cuestiones


1.- Escribir los procesos ácido-base que tienen lugar al añadir ácido clorhídrico e hidróxido sódico en cada una de las experiencias realizadas.

2.- Identificar los productos que hay en cada una de las fases que se han ido obteniendo a lo largo del proceso, compuestos A-F del esquema 1.

3.-¿ Por qué es conveniente realizar cada extracción dos veces?.

4.-¿Cuál es la misión del sulfato de sodio anhidro empleado?.

5.-¿Por qué se añade un trozo de porcelana (plato poroso) al líquido que se va a destilar?.

CUARTA PRÁCTICA

SÍNTESIS DE LA ASPIRINA

Objetivo


Obtención de la aspirina por acetilación del ácido salicílico. Ensayos cualitativos de pureza y de comparación con la aspirina comercial.
Material y productos

Erlenmeyer, vasos de precipitados, Büchner-kitasato, papel de filtro, varilla de vidrio, tubos de ensayo y gradilla.


Productos

Ácido salicílico, anhídrido acético, ácido sulfúrico, disolución saturada de NaHCO3, HCl concentrado, disolución de FeCl3(1%), aspirina comercial.

Las tabletas de aspirina se componen habitualmente de 0,32 g de ácido acetilsalicílico prensado junto a una pequeña cantidad de almidón, que sirve para darles cohesión. La aspirina tamponada suele contener un tampón alcalino para evitar la irritación de la mucosa gástrica, ya que el producto acetilado tampoco está libre de ésta acción. La "Buferina" contiene 0,32 g de aspirina, 0,05 g de dihidroxiaminoacetato de aluminio y 0,10 g de carbonato de magnesio. Los analgésicos combinados contienen normalmente aspirina, fenacetina (o un compuesto análogo) y cafeína. Así, por ejemplo, la "Empirina" contiene 0,233 g de aspirina, 0,166 g de fenacetina y 0,030g de cafeína.


F
undamento Teórico

El ácido salicílico (o-hidroxibenzoico) es un compuesto bifuncional y, por ello, puede experimentar tanto reacciones típicas del grupo carboxilo como reacciones debidas al grupo fenólico. Así, con anhídrido acético se forma el ácido acetilsalicílico (aspirina), mientras que con exceso de metanol obtenemos el salicilato de metilo (o aceite de gaulteria). En esta experiencia nos valdremos de la primera reacción para sintetizar la aspirina. Durante la acetilación se forma también una pequeña cantidad de producto polimerizado, debido a la presencia de un grupo carboxilo y de un grupo hidroxilo en la misma molécula. El ácido acetilsalicílico reacciona con el bicarbonato de sodio para dar la sal sódica soluble en agua. Gracias a esta diferencia de comportamiento podremos purificar la aspirina obtenida.

La impureza más común será, sin embargo, el propio ácido salicílico que provendrá de una acetilación incompleta o de la hidrólisis del producto durante su aislamiento. Se eliminará a lo largo del proceso de purificación y en la recristalización final del producto.

Procedimiento experimental


Pesar 2,0 g (0,015 moles) de ácido salicílico cristalizado y ponerlos en un Erlenmeyer de 100 ml. Añadir 5 mL (0,05 moles) de anhídrido acético, seguidos de 2 gotas de ácido sulfúrico concentrado (la adición de un exceso de ácido hace que la aspirina no precipite), y agitar despacio hasta que el ácido salicílico se disuelva. Calentar suavemente en un baño de vapor durante 5 ó 10 minutos. Dejar enfriar a temperatura ambiente y enfriar la mezcla ligeramente con hielo hasta que se produzca la cristalización. Añadir 50 mL de agua y enfriar a 0°C. Separar el producto filtrado en un Büchner. El filtrado se puede usar para enjuagar el Erlenmeyer tantas veces como sea necesario para recoger los cristales (adicionando de cada vez pequeñas cantidades de dicho filtrado). Continuar el paso de aire por succión a través de los cristales. Dejarlos luego secar al aire. Pesar el producto, que puede contener algo de ácido sin reaccionar, y calcular el rendimiento bruto.

Purificación

Pasar el producto bruto a un vaso de precipitados de 150 mL y añadir 25 mL de una solución acuosa saturada de NaHCO3. Agitar hasta que cese el burbujeo de CO2 (acercar el tubo al oído). Filtrar por succión a través de un embudo Büchner. Así habremos eliminado los polímeros que se puedan haber formado.

Verter cuidadosamente el filtrado en un vaso de precipitados y a continuación adicionar gota a gota HCl concentrado sin cesar de agitar hasta que no se observe mas precipitación de aspirina. Enfriar en un baño de hielo, filtrar el sólido insoluble por succión en un Büchner y lavarlo bien con el líquido resultante de la filtración. Poner los cristales a secar sobre un papel de filtro. Pesar el producto y calcular el rendimiento del proceso de purificación.

Ensayos cualitativos

Disolver en tres tubos de ensayo que contengan 5 mL de agua, algunos cristales de ácido salicílico, producto bruto y producto purificado. Añadir una o dos gotas de solución de tricloruro de hierro al 1% a cada uno de ellos, observar y explicar la coloración que toman.


Disolver en dos tubos de ensayo que contengan aproximadamente 5 mL de agua, algunos cristales de aspirina purificada (sin polímeros), y aspirina comercial. Añadir unas gotas de solución de yodo a cada uno de ellos, observar y explicar la coloración que toman.

Cuestiones


1.-Escribir la reacción ácido-base que tiene lugar al tratar el ácido acetilsalicílico con bicarbonato sódico.

2.-Escribir la estructura del subproducto polimerizado que se obtiene en el proceso anterior.

3.-¿Por qué el subproducto polimerizado no es soluble en solución de bicarbonato sódico, mientras que el ácido salicílico sí lo es?.

4.- ¿Por qué el ácido salicílico da positivo el ensayo de FeCl3 y el ácido acetilsalicílico no?. Escribir la reacción que tiene lugar.



5.- ¿Qué compuesto de la aspirina comercial da reacción con I2?. Dibuja su estructura.



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