Síntesis de un colorante y Preparacion de polímeros Luis Eduardo Higuera Calderón*, Carolina Mora Cañón* Facultad de ingeniería, Universidad de América, Cede de los Cerros, Bogotá
KEYWORDS: Dyes, diazonium coupling, polymer, bakelite, borax, ABSTRACT:
Dyes are substances of natural or synthetic origin origin that are used for increasing the food color, either that food has lost color in your industry or to make it more pleasing to the eye and more appealing to the consumer treatment. Those substances added or re-color in a food, and include natural constituents of food substances arations and other natural sources that are naturally consumed as food for themselves and not normally used as characteristic ingredients of food.
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
Colorantes
Colorantes
Los colorantes son sustancias de origen natural o artificial que se usan para aumentar el color de los alimentos, ya sea por que q ue el alimento a perdido color en su tratamiento industrial o bien para hacerlo más agradable a la vista y más apetecible al consumidor.
Los colorantes pueden ser definidos como sustancias que cuando son aplicadas a un substrato imparten color al mismo. Los colorantes son retenidos en el substrato por absorción, retención mecánica, o por enlace iónico covalente. Los colorantes son usados comúnmente en textiles, papel y piel.
Polimeros La palabra polímeros significa ³muchas piezas´, puede considerarse que u material solido polimérico está formado por muchas partes químicas de larga cadenas de moléculas orgánicas.En el caso de materiales poliméricos orgánicos naturales tenemos: celulosa, caucho, petróleo,etc. La celulosa es el polímero orgánico natural de mayor importancia, se encuentra presente enalgodón y en la parte leñosa de las plantas. De ella se derivan los polímeros termoplásticoscelulósicos.
Palabras clave: Colorantes, diazonio, copulación, polímeros, bakelita, bórax,
Polimeros La unión de moléculas (monómero) de una misma especie genera una macromolécula denominada Homopolímero y la unión entre sí de más de un tipo de moléculas (monómeros), la macromolécula resultante se denomina copolímero. Como los polímeros se forman usualmente por la unión de un gran número de moléculas menores, tienen altos pesos moleculares. No es infrecuente que los polímeros tengan pesos moleculares de 100.000 o mayores. 1
Los polímeros pueden ser de tres tipos: - Polímeros naturales: provenientes directamente del reino vegetal o animal. Por ejemplo: celulosa, almidón, proteínas, caucho natural, ácidos nucleicos, etc. - Polímeros artificiales: son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales. Ejemplo: nitrocelulosa. - Polímeros sintéticos: son los que se obtienen por procesos de polimerización controlados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno, cloruro de polivinilo, etc.
mordiente, a través de la cual conseguían teñir un tejido con matices diferentes em pleando una misma materia colorante. Muchos de estos secretos de la antigüedad se han perdido, y hoy día no se saben preparar muchos de los tintes que para la decoración de las piedras, mosaicos y tejidos usaron los antiguos. El primer colorante sintético que se pre paró fue la Mauvine que fue preparado por Willian Henry Perkin en Inglaterra en 1856. Esto marcó el inicio de la industria de los colorantes sintéticos.
Muchos elementos como el silicio, forman también polímeros, llamados polímeros inorgánicos.
MARCO TEORICO Síntesis de un colorante El color destaca su presencia cotidiana en todo lo que rodea al hombre. Se prodiga tanto en los objetos de creación humana como en la naturaleza. Desde las etapas más tempranas de la cultura humana el hombre hizo uso consciente y variado del color, lo aplicó sobre las superficies rocosas de las cavernas e incluso, sobre su propia piel. Los servicios que el color ha brindado recorren una amplia gama de funciones, desde cubrir la superficie de un objeto, hasta representar simbólicamente una idea o un concepto. Hoy maravillan todavía los prodigios que en este arte decorativo realizaron los asirios y babilonios, y sobre todo los egipcios. Sorprende los numerosos productos colorantes que conocían y su habilísima manera de prepararlos para darles viveza, realce y hacerlos inalterables. Los egipcios conocían una técnica llamada de
Posteriormente al descubrimiento de la Mauvine se prepararon los colorantes Magenta, Anilina Azul, Violeta Metil, Violeta Hoffmann, Anilina Negra y Verde Aldehído. En 1859 se sintetizó la Fucsina, preparado por Verguin en Francia, y utilizada como colorante textil. En 1868, Groebe y Lieberman anunciaron la primera síntesis de un colorante azul natural: Alizarina; y en 1869 Caro, Groe be, Lieberman y Perkin patentaron p atentaron el proceso para su manufactura. El descubrimiento de Peter Griess en 1858 y 1865 de la reacción de diazotación de aminas aromáticas y la reacción de copulación de compuestos de diazonio fueron la base para la siguiente fase en la 2
elaboración de colorantes y obtuvieron la base teórica que hacía falta. Los colorantes son conocidos como anilinas, ya que son productos capaces de comunicar su propio color a otros materiales. En la actualidad se conocen miles de colorantes que se obtienen generalmente de materiales derivados del alquitrán de hulla, de hidrocarburos bencénicos, fenoles, etc.…
ANILINAS La anilina, amino-benceno o fenilamina se obtiene por la reducción del nitrobenceno tratándolo con Fe y HCl o por reducción catalítica en fase gaseosa, em pleando Cu como catalizador.
Es una materia prima empleada para la síntesis de diversos productos intermedios en la industria de colorantes. En el siglo XIX se descubrieron los pigmentos orgánicos a partir de la anilina con grupos 2+ ácidos al precipitarlos con sales sales de Ca o 2+ Ba . Estos primeros compuestos coloreados recibieron el nombre de pigmentos. Uno de los grupos de pigmentos orgánicos más utilizados en la industria son los pigmentos azoicos. Son sencillos de pre parar a partir de anilinas y asequibles desde el punto de vista económico. Estos pigmentos se han preparado de diferente tipo y color, con una amplia variedad de propiedades químicas y físicas y son ela borados por un proceso químico consecutivo de diazotación y copulación.
En estos sistemas la propiedad colorante está condicionada a la presencia en la molécula de grupos llamados cromóforos (portador de color) unidos al anillo bencénico. En los colorantes azoicos el cromóforo principal es el grupo AZO ( N=N-). En función del cromóforo obtendremos un color u otro, así como diferencias en la intensidad de color.
DIAZOTACIÓN La reacción de diazotación fue puesta a punto por Peter Griess en 1860. Esta reacción tiene lugar entre una amina primaria aromática y NaNO2 en presencia de HCl o H2SO4, para formar una sal de diazonio. Estos compuestos son indispensa bles intermedios para la formación de pigmentos azo y son muy útiles para reemplazar un grupo amino por un grupo hidroxi, halógeno, etc..
La cantidad de NaNO2 es la estequimétrica, pero el HCl debe estar en exceso para prevenir la diazotación parcial y condensación. Si la diazotación ocurre satisfactoriamente, la amina debe encontrarse en disolución acuosa ácida. Una vez formada, la sal diazonio no se aisla y debe ser utilizada rápidamente en la etapa siguiente, puesto que las reacciones de diazotación generalmente son exotérmicas y las sales de diazonio se descomponen con facilidad si no se enfria el sistema y se las hace reaccionar en el tiempo establecido. Para poder efectuar la diazotación generalmente es necesario mantener la tempe3
ratura de reacción normalmente entre 0 – 0 – 5ºC.
4.- Ser lo más estable posible a la luz y al calor.
COPULACIÓN
5.- Poseer compatibilidad con los productos que deben teñir.
Las sales de diazonio reaccionan con una gran cantidad de compuestos copulantes para formar derivados azo. Estos com puestos pueden ser clasificados de la siguiente manera:
7.- Ser estable frente a agentes oxidantes y reductores, y al pH.
1.- Compuestos cromáticos hidroxi.
8.- Ser económico.
6.- No poseer olor ni sabor desagradables.
2.- Aminas aromáticas. 3.- Sustancias reactivas que contengan grupos metileno. 4.- Fenol y éteres de naftol. 5.- Hidrocarburos. Las reacciones de copulación generalmente se efectúan a temperatura ambiente o por debajo de ella, normalmente entre 10-20ºC. Una vez formado el azocom puesto se filtra y se lava el compuesto con agua, pudiéndose secar el producto en la estufa a temperaturas no superiores a 90º C para evitar la descomposición del pigmento.
REQUISITOS EXIGIDOS PARA LOS COLORANTES DE SÍNTESIS 1.- Ser inocuo. 2.- Constituir una especie química definida y pura. 3.- Tener gran poder de tinción, con objeto de utilizar la mínima cantidad posible y ser fácilmente incorporables al producto.
MORDIENTE El mordiente es una sustancia que sirve para fijar los colores en los productos textiles. La función del mordiente es favorecer la fijación del colorante en las fibras. Este término designa a aquellas sales metálicas, ácidos, sustancias orgánicas, etc., que sirven para fijar los colores de estampados en los textiles. Ejemplos: Ø alumbre Ø tártrato ácido de potasio Ø sulfato de hierro Ø sulfato y óxido de hierro Ø sulfato de cobre Ø sulfato de zinc Ø sulfato de cromo Ø clorhidrato de estaño Ø salitre Ø ceniza o lejía Ø bicarbonato Ø cloruro de sodio Ø cal Ø ácido acético Ø amoníaco Ø ácido oxálico Ø ácido fórmico 4
Además de ayudar a que los colores sean más firmes y resistentes a la luz solar, los mordientes pueden modificar los colores, en algunos casos dándoles más brillo o viveza, en otros oscureciéndolos, y en otros transformando el color original en uno nuevo. Por ejemplo: Amarillo con hierro = verde Café claro con hierro = negro Rojo con hierro = morado Anaranjado con hierro = morado más claro El alumbre, el amoníaco y el crémor tártaro dan más brillo y logran colores más vivos. El hierro tiende a oscurecer los colores. Los taninos dan un tono más profundo a colores como el gris y el café.
Polimeros Los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. Existen varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean excluyentes entre sí. Según su origen • Polímeros naturales. Existen en la natunaturaleza muchos polímeros y las biomoléculas que forman los seres vivos son macromoléculas poliméricas. Por ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la celulosa y la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc. • Polímeros semisintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros natura-
les. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc. • Polímeros sintéticos. Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir de los monómeros. Por ejemplo, el nylon, el poliestireno, el cloruro de polivinilo (PVC), el polietileno, etc. Según su mecanismo de polimerización [editar] En 1929 Carothers propuso la reacción: • Polímeros de condensación. La reacción de polimerización implica a cada paso la formación de una molécula de baja masa molecular, por ejemplo agua. • Polímeros de adición. adición. La polimerización no implica la liberación de ningún com puesto de baja masa molecular.Esta polimerización se genera cuando un "catalizador", inicia la reacción. Este catalizador separa la unión doble carbono en los monómeros, luego aquellos monómeros se unen con otros debido a los electrones libres, y así se van uniendo uno tras uno hasta que la reacción termina. • Polímeros formados por etapas. La cacadena de polímero va creciendo gradualmente mientras haya monómeros disponibles, añadiendo un monómero cada vez. Esta categoría incluye todos los polímeros p olímeros de condensación de Carothers y además algunos otros que no liberan moléculas pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo los poliuretanos. • Polímeros formados por reacción en cadena. Cada cadena individual de polímero se forma a gran velocidad y luego queda inactiva, a pesar de estar rodeada de monómero. Según su composición química Polímeros orgánicos. Posee en la cadena principal átomos de carbono. • Polímeros orgánicos vinílicos. La cadecadena principal de sus moléculas está formada exclusivamente por átomos de car bono. Dentro de ellos se pueden distinguir: • Poliolefinas, formados mediante la popo5
limerización de olefinas. Ejemplos: polietileno y polipropileno. • Polímeros estirénicos, que que incluyen al estireno entre sus monómeros. Ejemplos: poliestireno y caucho estireno butadieno. • Polímeros vinílicos halogenados, que incluyen átomos de halógenos (cloro, flúor...) en su composición. Ejemplos: PVC y PTFE. • Polímeros acrílicos. Ejemplos: Ejemplos: PMMA. • Polímeros orgánicos no vinílicos. AdeAdemás de carbono, tienen átomos de oxígeno o nitrógeno en su cadena principal. Algunas sub-categorías de importancia: •Poliésteres •Poliamidas •Poliuretanos Polímeros inorgánicos. Entre otros: • Basados en azufre. Ejemplo: polisulfuros. • Basados en silicio. Ejemplo: silicona. Según sus aplicaciones Atendiendo a sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en: • Elastómeros. Son materiales con muy bajo módulo módu lo de elasticidad y alta extensi bilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada resiliencia. • Plásticos. Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros. • Fibras. Presentan alto módulo de elastielasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables. • Recubrimientos. Son sustancias, nornormalmente líquidas, que se adhieren a la
superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión. • Adhesivos. Son sustancias que combicombinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial. Según su comportamiento al elevar su temperatura Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en calentarlos por encima de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o por el contrario no lo hace se diferencian dos tipos de polímeros: • Termoplásticos, que fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven al estado solido) al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ningún) entrecruzamientos. Ejemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo PVC. • Termoestables, que no fluyen, y lo único que conseguimos al calentarlos es que se descompongan químicamente, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las moléculas. La clasificación termoplásticos / termoestables es inde pendiente de la clasificación elastómeros / plásticos / fibras. Existen plásticos que presentan un comportamiento termoplástico y otros que se comportan como termoestables. Esto constituye de hecho la principal subdivisión del grupo de los plásticos y hace ha ce que a menudo cuando se habla de "los termoestables" en realidad se haga referencia sólo a "los plásticos termoestables". Pero ello no debe hacer olvidar que los elastómeros también se dividen en termoestables (la gran mayoría) y termoplásticos (una minoría pero con aplicaciones muy interesantes).
METODOLOGÍA 6
NARANJA II
Figura 1. Formación de la sal de diozonio
El acido sulfanilico con el hidróxido de sodio es de color gris y al agregar el nitrato de sodio este se disolvió mejor enfriamos la solución a los 5 grados pero p ero pusimos los 5g de hielo picado y adicionamos el acido clorhídrico que en un principio tomo color crema mientras que lo está bamos agitando y después se volvió de un color naranja bajo. El β-naftol β-naftol y la solución de hidróxido de sodio es de color marrón y al adicionarle la solución de la sal de diazonio esta se volvió de un color rojo muy mu y fuerte y al adicionar el cloruro de sodio este se volvo lvió de un color naranja fuerte. Al filtrar en el papel filtro se quedaba una pasta algo suave de color naranja y en el fondo del matraz el líquido color rojo y al en juagar el vaso con el agua halada los residuos de este se volvían de color rojo al contacto con el agua.
BAKELITA Figura 2. Copulación
Figura3. PAPEL YODURO-ALMIDÓN
RESULTADOS, DISCUSIÓN METODOLOGÍA
ANÁLISIS DE
Y LA
Cuando se realizó la práctica y llevamos a una temperatura aproximada de 60°C la solución con el alambre generaba como una “activación” y poco a poco se iba solidificando la bakelita alrededor del alambre de cobre como se ve en la imagen. Esta bakelita es una sustancia totalmente sintética, el cual se va endureciendo al solidificarse y moldeando según la forma que nosotros deseemos. El alto grado de entrecruzamiento de la estructura molecular de la baquelita le confiere la propiedad de ser un plástico termoestable: una vez que se enfría no puede volver a ablandarse. Esto lo diferencia de los polímeros termoplásticos, que pueden fundirse y moldearse varias veces, debido a que las cadenas pueden ser lineales o ramificadas pero no presentan entrecruzamiento. Esta síntesis se debe a que el 7
formaldehído sirve de puente entre moléculas de fenol, perdiendo su oxígeno por sufrir dos condensaciones sucesivas, mientras que las moléculas de fenol pierden dos o tres de sus átomos de hidrógeno, en patrones de sustitución en hidrocarburos aromáticos, de forma que cada formaldehído conecta con dos fenoles, y cada fenol con dos o tres formaldehídos, dando lugar a entrecruzamientos. Tam bién algún de sus aplicaciones son: es para aisladores de terminales eléctricas, piezas de freno de autos, botones para tapas de ollas, mangos de sartén y asas para enseres de cocina.
como temperatura, concentraciones, cantidades tiempo.
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Se elaboraron diversos tipos de polímeros sintéticos y semisinteticos debido a la sintetizarían y reacción de estos con los reactivos.
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Como pudimos observar los polímeros constituyen la mayor parte de las cosas que nos rodean, estamos en contacto con ellos todos los días e incluso nosotros mismos estamos compuestos casi en nuestra totalidad de estas, tan variadas macromoléculas, como por ejem plo: las proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos, etc.
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Estos tienen 2 clasificaciones im portantes: según su estructura molecular (homopolimeros y copolimeros), y el elemento base en su cadena principal (orgánica e inorgánica). Transmitimos también unos esquemas muy interesantes respecto a los lugares donde se encuentran los polímeros más usuales (como plásticos princi palmente), como se dividen los "polímeros plásticos, fibras, y derivados", y cuáles son sus formas de polimerización y sintetización.
FORMULACIÓN 1: En esta formulación 1 hubo muchos factores que afectaban en obtener un buen resultado: primero, la solubilidad del alcohol polivinilico en el agua fue muy baja por lo cual teníamos que calentar la muestra a una temperatura bastante alta. Segundo, después de haber hecho un primer intento y haber analizado que si el alcohol polivinilico no se disolvía bien en el agua hasta forma una especie de espuma homogénea sin burbujas al momento de solidificar el polímero obtuvimos un polímero con muchas burbujas. Tercero, des pués de adicionar el bórax y eliminar el exceso de agua en la mezcla, darle forma al polímero era un poco complicado debido a que se salificaba muy rápido y si uno cortaba la pieza en la mitad ya no se podía volver a unir masi mismo habían muchas pérdidas en nuestros vasos y manos.
CONCLUSIONES
CUESTIONARIO Polimeros 1) Su síntesis se realiza a partir de
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Para llevar a cabo una buena práctica de laboratorio es muy importante estudiar conocer y controlar las variables externas que puedan afectar en nuestros resultados,
moléculas de fenol de fenol y formaldehido, en do, en proporción 2 a 3: el formaldehido sirve de puente entre moléculas de fenol, perdiendo su oxígeno por sufrir dos condensa8
ciones sucesivas, mientras que las moléculas de fenol pierden dos o tres de sus átomos de hidrógeno, en patrones en patrones de sustitución en hidrocarburos aromáticos, de aromáticos, de forma que cada formaldehido conecta con dos fenoles, y cada fenol con dos o tres formaldehidos, dando lugar a entrecruzamientos. En exceso de fenol, la misma reacción de condensación da lugar a polímeros lineales en los que cada fenol sólo conecta con dos formaldehidos.
pueden modificar su forma, y por lo tanto no pueden ser reciclados. Termoplásticos: Son polímeros que después de fundirse por calentamiento, se enfrían y recuperan sus propiedades originales.
Elastómeros: Es un polímetro que cuenta con la particularidad de ser muy elástico pudiendo incluso, recuperar su forma luego de ser deformado. A partir de estos se fabrican materiales como la goma.
4) Moldeo por inyección:
2) Proceso de extrusión: En el proceso de extrusión, un tornillo sin fin presiona y obliga a salir a la masa por la boquilla. Se obtiene una pieza continua, de gran longitud y poca sección que es enfriada mediante un chorro de aire o agua fría
3) Termofijos: Son polímeros rígidos que tienen una estructura molecular compleja del tipo red, la cual tiene lugar en el proceso de moldeo. Una vez moldeados no 9
Caprolactama: 5) Polietileno:
Sulfuro de polifenileno:
Polivinilo:
Polipropileno: BIBLIOGRAFÍA Poliacrilonitrilo:
Metacrilato
de
Politetrafluoretileno:
polimetilo:
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