PREPARACIÓN Y PROPIEDADES DE HIDROCARBUROS Glah ir a Guevara, Guevara, Kiar a Nieve Nieves, Naylet Naylet M endoza, ndoza, Norbelis Cas Casti ti ll o, Will in ton M edin a
Laboratorio de Química Orgánica (Miercoles: pm) – Escuela de Ingeniería Química Universidad de Carabobo Profesora: Javier Ravelo Preparador: Rubén Sequera RESUMEN El objetivo general de la práctica es la obtención del ciclohexeno a partir de la deshidratación del ciclohexanol mediante una reacción de eliminación E1 en medio acido y calor, calor, empleando un equipo de destilación fraccionada, el cual es para separar la mezcla de ciclohexanol y ácido fosfórico. Se calentó hasta una temperatura menor a la temperatura de ebullición del ciclohexeno. Luego de haber destilado aproximadamente 20 mL de producto, se agregó cloruro de sodio para separar completamente la fase acuosa de la orgánica, bicarbonato de sodio para neutralizar trazas de ácido y sulfato de sodio anhidro para remover partículas de agua, el índice de refracción corregido del producto es (1,44+0,05) adim y el porcentaje de desviación con respecto al valor teórico es (0,2076+0,0003) %, además de un buen porcentaje de rendimiento de reacción, el cual fue de (43,28+ 0,01)% . Palabras clave: ciclohexanol, ciclohexeno, destilación fraccionada, rendimiento, deshidratación.
INTRODUCCIÓN
una base, se obtiene, en ambos casos un alqueno y agua. El tratamiento de alcoholes con ácido a temperaturas elevadas genera alquenos por perdida de agua. Este proceso se conoce como deshidratación de alcoholes y sigue mecanismos de tipo E2 para alcoholes primarios y E1 para secundarios o terciarios. [1]
Los alquenos juegan un papel fundamental en la síntesis orgánica, gracias a que son un grupo funcional versátil, sobre el cual pueden hacerse múltiples transformaciones (oxidaciones, reducciones etc.), además de que presentan isomería geométrica, lo que les transfiere diferentes propiedades físicas, químicas y biológicas. Sin embargo, separar isómeros METODOLOGIA (cromatografía y destilación) de alquenos es frecuentemente difícil, por lo que se han Se realizó el montaje para llevar a cabo la desarrollado varios métodos que favorecen la destilación fraccionada. Esta técnica se emplea formación de uno de ellos. para la separación de mezclas muy complejas y Síntesis de alquenos (olefinas) por eliminación de componentes de similar volatilidad. alcoholes o haluros. Cuando los alcoholes se El ciclihexanol, el ácido fosfórico y las perlas de calientan en presencia de cantidades catalíticas de ebullición, se agregan en el matraz de destilación ácidos o los haluros de alquino en presencia de de fondo redondo y se coloca sobre la manta de calentamiento. El equipo de montaje se protegió
con aislantes y conductores en ciertas partes. Este proceso principalmente consistió en que una parte del vapor que se obtuvo pasó por la columna de relleno y se puso en contacto a contracorriente con el agua, donde el condensado se recolectó en un cilindro graduado sumergido en un baño frio. Una vez que se obtuvo el destilado se transfirió a un embudo de separación y se descartó la solución que poseía densidad alta. El ´producto se llevó a un beaker y se agregó solución saturada de cloruro de sodio agitando y dejando reposar por varios minutos. Se separó la fase acuosa la cual fue desechada, y a la fase orgánica se le agregó bicarbonato de sodio. Posteriormente la solución fue transferida a un matraz Erlenmeyer de 50mL, seguidamente agregándole suficiente sulfato de sodio anhidro dejando reposar por algunos minutos, agitando ocasionalmente. El producto finalmente se decantó, se midió el índice de refracción haciendo uso del refractómetro y por último se realizó la prueba de identificación usando el método de Test de Baeyer, el cual consiste en agregar gota a gota solución de permanganato de potasio.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
observaron cambios representativos, sin embargo, conforme se iba calentando la mezcla, la misma iba cambiando de transparente a un color amarillento, ya que de acuerdo a la reacción general (1), la misma requiere de calor para poder llevarse a cabo, el cambio de color se debe a que el ciclohexanol se encontraba reaccionando protonándose, ionizándose y formando el enlace de ciclohexeno. La reacción de deshidratación es reversible, la olefina que se forma en el proceso se puede hidratar y reconvertir en el alcohol de partida. Sin embargo, en la práctica esto no ocurre, ya que se mantuvo controlada la temperatura para desplazar el equilibrio hacia la derecha, eliminando el ciclohexeno de productos de la reacción a medida que este se formaba para así garantizar la irreversibilidad de la reacción, empleando una destilación fraccionada, la cual es la más apropiada cuando se tiene una mezcla de varios compuestos. Esta destilación se logró gracias a que el alqueno tiene un punto de ebullición menor al alcohol. En la experiencia práctica, la destilación comenzó a una temperatura de (80+1)ºC lo cual es lógico, ya que la temperatura es menor al punto de ebullición del alqueno (83ºC) y terminó cuando la temperatura alcanzó los (84+1)ºC, en este punto se detuvo la destilación para evitar destilar bien sea el agua, trazas alcohol o del catalizador y tener productos indeseados o colaterales en el alqueno obtenido. A medida que se destilaba la mezcla, los vapores pasaban por un condensador con flujo en contracorriente para garantizar una mayor transferencia de calor y así lograr que dichos vapores condensaran completamente. El producto obtenido se recolectaba en un cilindro graduado refrigerado para evitar que el condensado se evaporara y así evitar perder parte del alqueno sintetizado. [2]
Para sintetizar el ciclohexeno en el laboratorio de orgánica mediante la deshidratación del ciclohexanol, se requiere de un catalizador ácido, en este caso se empleó ácido fosfórico, cuya misión es la de protonar al grupo hidroxilo del alcohol y convertirlo en un buen grupo saliente, ya que en general los alcoholes no son muy buenos electrófilos. La pérdida de agua del alcohol protonado da lugar a un carbocatión, el cual es un ácido muy fuerte, cualquier base débil como el agua puede abstraerle el protón en el paso final para formar el alqueno. Inicialmente, al agregar en el matraz de destilación el ciclohexanol junto con el ácido fosfórico, no se Reacción general de la deshidratación:
- OH +H2PO4
→
+ H2O
(1)
En el proceso de purificación se agregó cloruro de sodio al destilado y se observó dentro del embudo una marcada separación entre la fase acuosa y la fase orgánica, este fenómeno basa su fundamento en la solvatación (hidratación cuando se trata de agua), ya que los iones cloruro y sodio (reacción 2) presentes en solución, interaccionan con las moléculas de agua presentes en el producto destilado, mediante una interacción ión dipolo permanente (Figura 1), esto hace que las moléculas de agua migren de la fase orgánica a la fase acuosa contribuyendo a la separación. Reacción de ionización del cloruro de sodio NaCl Na+ + Cl- (2)
formación nuevamente de una fase acuosa, dicho burbujeo se debe a la liberación de dióxido de carbono (reacción 3). Reacción ácido base: bicarbonato de sodio y ácido fosfórico. 3NaHCO3 + H3PO4
Al separar y decantar las fases, se procedió a trabajar con la fase orgánica (producto de color transparente) a esta se le agregó bicarbonato de sodio con el fin de neutralizar las trazas de acido fosfórico que pudieron haber llegado al destilado por arrastre, se observó un burbujeo y la
3
4
2
2
(3)
Finalmente para terminar el proceso de purificación se le agregó al alqueno sulfato de sodio anhidro, el cual es un sólido higroscópico con gran capacidad de deshidratación y elimina el agua restante del alqueno, observándose una capa blanca blanca al fondo del beaker. Para ello se cuenta con la reacción 4. [3] Reacción de remoción del agua: NaSO4 +10H2O
Figura 1. Hidratación de las moléculas de cloruro y sodio .
→ Na PO + 3H O + 3CO
→ NA SO 10H O (4) 2
4
2
El porcentaje de rendimiento se encuentra alrededor del 43%, pues esto no es más que la cantidad de producto obtenido en el proceso de deshidratación de ciclohexanol. Este valor nos sirve principalmente para medir que tan efectiva fue la síntesis del hidrocarburo. Como el rendimiento se encuentra cercano al 50% entonces se cita que el procedimiento fue regular, ya que éste se ve afectada al momento de realizar la purificación disminuyéndolo significativamente. El valor reportado se refiere principalmente al rendimiento del producto final ya purificado. El índice de refracción es la relación entre la velocidad de la luz medida en el aire y la velocidad de la luz medida en otro medio; el mismo depende de la naturaleza y composición de la sustancia [4]. La determinación de esta propiedad física sobre el producto obtenido experimentalmente verifica la existencia del
ciclohexeno, de modo que este valor debería parecerse o ser lo más cercano posible a al valor teórico.
OH + KMnO4
Purpura
+ MnO2
Incoloro
OH
Precipitado Marrón
Tabla 1. Porcentaje de desviación del índice de refracción entre el valor teórico y el valor corregido para el ciclohexeno. Índice de Índice de Porcentaje de Refracción Refracción Desviación Corregido Teórico (%Desv±0,0003)% (IC±0,05)adim (ITeo)adim 44
1,445
0,2076
Debido a que la prueba resultó positiva, nos seguridad en cuanto a la formación del alqueno. Una de las características del alqueno fue su olor característico, el cual es penetrante. Se recomienda trabajar todo dentro de la campana para evitar los vapores tóxicos que se desprenden; así como también el uso de mascarilla para evitar su inhalación. [5]
En la experiencia práctica se obtuvo un producto CONCLUSIONES bastante puro, esto se denota en el pequeño error que mostró el índice de refracción. Al destilar el ciclohexeno la reacción se torna irreversible En cuanto a la prueba de identificación se llevo a El vapor que pasa por el condensador es cabo mediante el reactivo de Baeyer, que es un rico en ciclohexeno y contiene trazas de oxidante muy fuerte (solución alcalina de agua junto con el catalizador permanganato de potasio) KMnO4, de color Se empleó cloruro de sodio para separar la morado intenso, permite identificar en el fase acuosa de la fase orgánica laboratorio, el doble enlace pues rompe el enlace Al lavar el ciclohexeno con bicarbonato de pi y adiciona dos grupos hidroxi, obteniéndose un sodio ocurre una reacción de diol o glicol incoloro[*] .Se realizó el test de neutralización Baeyer en el cual se agregó a la solución en El sulfato de sodio anhidro actúa como un análisis, agua y gotas permanganato de potasio, la secante, removiendo el agua del alqueno solución se tornó de color pardo oscuro puesto purificado que la presencia del oxido de manganeso formado El grado de purificación que señaló el por el quiebre del enlace etilénico existente, con índice de refracción fue bastante bueno lo cual la prueba resultó ser positiva. Las olefinas El test de baeyer dio positivo. suponen un estado de oxidación del carbono La oxidación de olefinas se fue de forma relativamente bajo y, por tanto, pueden suave. transformarse en otras sustancias más oxidadas.
La oxidación de olefinas puede llevarse a cabo de forma suave o enérgica. La reacción llevada a REFERENCIAS cabo en forma general fue la siguiente: [1] “QUÍMICA ORGÁNICA”. Página web en línea. Disponible en:
http://www.quimicaorganica.net/deshidratacionalcoholes.html [2] ALLINGER N. “Química Orgánica”. (Libro en Línea). Disponible en: http://books.google.co.ve/books?id=gKzZVV2f2z wC [3] MACY R. “Química Orgánica Simplificada”. (Libro en Línea). Páginas consultadas: 310-446. Disponible en: http://books.google.co.ve/books?id=QrvzEPZU2y gC&pg=PA446&lpg=PA446&dq=te%C3%B1ido ,+seda,+algodon,+lana,+mordiente&source=bl&o ts=HmOJmSCkA5&sig=8SvuDOi8VaLYTYzqS XZIZva6Xs&hl=es&sa=X&ei=HX35UL6bB8ay0QHU j4DQAg&ved=0CCoQ6AEwAA#v=onepage&q= te%C3%B1ido%2C%20seda%2C%20algodon%2 C%20lana%2C%20mordiente&f=false [4] Prutton, C; Maron, S. (2003). Fundamentos de Fisicoquímica. 3ª Edición. Editorial Limusa. México. Páginas consultadas: 284. [5] REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA: “UAM”. Página web en línea. Disponible en: http://www.uam.es/departamentos/ciencias/qorg/d ocencia_red/qo/l9/reac7.html REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA: “UAM”. Página web en línea. Disponible en: http://www.uam.es/departamentos/ciencias/qorg/d ocencia_red/qo/l9/reac7.html
CÁLCULOS TÍPICOS En el cuaderno del pre informe se realizo el cálculo de los moles del Ciclohexanol, a partir de este se realiza el cálculo de la masa teórica del producto final de la siguiente manera:
(
donde: : masa de ciclohexeno obtenida de forma teorica (g). moles RL: moles del reactivo limite (ciclohexanol) (Adim.). : peso molecular del ciclohexeno (g).
9968 mol 825( ⁄ 6437 g Calculo de la masa experimental
(2
donde: : masa de ciclohexeno obtenida de forma experimental (g). : masa de la fiola llena (g). : masa de la fiola vacía (g).
En este tópico se realiza el cálculo del rendimiento de la reacción con la masa final obtenida del Ciclohexeno.
Calculo del rendimiento de la reacción Haciendo uso de la siguiente ecuación: R
Mep Meo
(3
donde: %R: porcentaje del rendimiento de la reacción (Adim.). : masa de ciclohexeno obtenida de forma teórica (g). Sustituyendo los valores en la ecuación I, se tiene:
R
7 g 6437 g
R 4328
Calculo del error Aplicando el método de propagación de errores, se tiene la siguiente ecuación:
MM MM ep
R
eo
ep
eo
Se Sustituyen los valore, se tiene: g g 7g 6437g
R
R
R 873
Por lo que se tiene que el rendimiento de la reacción es:
R 4328 Adim.
Calculo del porcentaje de desviación de la reacción Para calcular el porcentaje de desviación de la reacción se realizo la corrección del índice de refracción experimental, respecto a las temperaturas, con la siguiente ecuación:
(
IC IEp-35 Tleida- Trefrac
)
(4)
donde: : índice de refracción corregido (Adim.) : índice de refracción experimental (Adim.) temperatura del refractometro (°C) : temperatura de referencia (°C)
Sustituyendo los valores en la ecuación (2) se tiene:
I 44295
IC 444 35 C 3 28 C C
Cálculo del error Viene dado por la siguiente ecuación:
II TT TT
ep
ep
leida
leida
refrac
refrac
5 5 444 3 28 I 3467 I 539
C
C
Quedando el resultado final del índice corregido como: IC (44 5 Adim Una vez obtenido la corrección del índice de refracción se hace el cálculo de la desviación mediante la siguiente reacción: D
|I
Teo IC
ITeo
|
(5
donde: D: Porcentaje de desviación (Adim.) ITeo: Índice de refracción teórico (Adim.) Sustituyendo los valores en la ecuación (5) se obtiene que: 445 442 D 445 D 276 Adim Calculo del error El error asociado a esta expresión viene dado por la siguiente ecuación:
|
|
II II
eo
eo
D
c
c
445 442
D 2876 Adim. D 3 Adim Quedando el resultado de la desviación de la siguiente forma: D 276 3
ANEXOS
Figura 2. Residuo obtenido luego de finalizar la destilación
Figura 3. Purificación del producto mediante Sulfato de Sodio Anhidro
