Facultad de Ingeniería Licenciatura en Ingeniería Química Laboratorio de Química Orgánica I Sección: 04
Sep ar arac ac ión líq u id o -líq u id o d e u n a m ez ezcc la de ác id o b enzo ic o y b eta-n eta-n afto l po r extracc extra cc ión ión ( Parte A )
Encargada: Licda. Ana Lucía Escobar Galo Ricardo Leonel Ortiz García Carné: 10141-10 Fecha: 21/09 ’12
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................................
I
FUNDAMENTOS TEÓRICOS ............................................................................................................................
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TOXICIDAD, FORMAS DE DESECHO, PROPIEDADES FÍSICAS Y ANTÍDOTOS. ................................... 5 OBJETIVOS .........................................................................................................................................................
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DIAGRAMA DEL EQUIPO .................................................................................................................................
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METODOLOGÍA ..................................................................................................................................................
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MECANIMOS DE REACCIÓN ...........................................................................................................................
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...............................................................................................................
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I
INTRODUCCIÓN En la práctica de laboratorio a realizar el día 21 de septiembre del año en curso, se llevará a cabo la separación, por medio de extracción líquido-líquido. De una mezcla de ácido benzoico y 2-naftol. El proceso de extracción, es una de las operaciones más viejas, conocidas por la humanidad. Este proceso es tan rutinario, el cual envuelve procesos como la preparación de te o café (extracción sólido-líquido). Y de esta misma índole, existe la extracción líquido-líquido, la cual busca aislar compuestos de fuentes naturales. Además de ayudar a conseguir compuestos que terminan como sobrenadantes tras reacciones. El ácido benzoico un ácido de uso común para formar sales, las cuales son esenciales en los preservantes alimenticios. Y el beta-naftol, un elemento esencial para la fabricación de pinturas. La mezcla de estos compuestos, surge como una prueba, del uso de técnicas previas de química como lo son las reacciones ácido-base y criterios de solubilidad, con lo cual por medio del uso de bases, se neutralizará el carácter ácido de cada una de las muestras. Logrando así una separación parcial de cada una de ellas dando lugar a fases acuosas (mezclas del compuesto de interés con agua) regenerándolo finalmente por medio de la protonación (adición de ácido a la muestra).
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FUNDAMENTOS TEÓRICOS La transferencia de un soluto de un solvente a otro se denomina extracción. Más específicamente extracción líquido-líquido. El soluto es extraído de un solvente a otro, porque el soluto es más soluble en el segundo solvente, que en el original. Los solventes deben de ser entre sí, inmiscibles y deben de formar dos fases por separado. Este proceso de extracción, utiliza de forma convencional éter dietílico como solvente y una ampolla de decantación. El procedimiento consiste, en adicionar la mezcla en la ampolla de decantación, posteriormente se añade el solvente en el cual, la mezcla no es soluble. Se agita y posteriormente se añade agua o un solvente adecuado, para lavar las trazas de la mezcla recién separada. El proceso de extracción líquido-líquido, puede llegar a ser confundido con el proceso de lavado. Porque metodológicamente son el mismo. La razón por la que es realizado cada uno de ellos es distinta: En el caso de una extracción, se desea obtener de una muestra una única sustancia que es de interés. Al realizarse un lavado, se busca eliminar contaminantes, que son ajenos a la sustancia de interés.
Extracción En ocasiones, deben de ser purificadas y separadas mezclas de compuestos. Una técnica en particular es la extracción. La cual aprovecha la diferencia de solubilidades y los principios de las reacciones ácido-base (Masters & Williamson, 2011). Donde existen dos solventes, uno de ellos orgánico y el otro de ellos, ya sea agua o una solución acuosa de hidróxido de sodio o bicarbonato de sodio. Como fue mencionado y será descrito posteriormente es requerido el uso de una ampolla de decantación para este procedimiento. En la práctica se llevará a cabo una mezcla de compuestos en una relación de Ácido benzoico y 2-naftol. Ninguno de ellos solubles en agua y ambos solubles en éter dietílico. Surge entonces la interrogante, sobre la separación de los mismos. Esta es resuelta dada la presencia de un ácido carboxílico en la muestra. Gracias a la presencia de dicho ácido pueden ser usados los principios de las reacciones ácido-base para este proceso. Al comparar el valor del de ambas sustancias para el ácido benzoico y para el 2naftol. Estos componentes pueden ser desprotonados, dada la presencia de una base como ya que su ácido conjugado tiene un valor de en este caso el agua. Y en un proceso inicial, es utilizada la solución de bicarbonato de sodio, formando como ácido conjugado el ácido carbónico. Con un valor de de por lo que la reacción entre el 2-naftol y el carbonato ácido no se lleva a c abo. A diferencia del ácido benzoico, con la que se forma, el benzoato de sodio (soluble en agua) formando un compuesto en la fase acuosa y separándolo de la muestra original. Donde la fase acuosa, dejará únicamente la recién formada sal y en la parte orgánica el éter con el cual fue disuelto estos compuestos en inicio. La muestra de 2-naftol se añade hidróxido de sodio, formando así otra sal, desprotonándolo y llevándolo a la fase acuosa. Por último, cada una de las dos fases acuosas obtenidas, poseen sales de las sustancias originales, las cuales pueden ser recuperadas por medio de un proceso de protonación, el cual se logra por medio de la adición de ácido clorhídrico.
Propiedades de la extracción de solventes. Las extracciones líquido/líquido involucran dos capas. Una orgánica y una acuosa. El uso y selección de solvente, lleva a las siguientes recomendaciones:
Debe de disolver fácilmente la sustancia a extraer a temperatura ambiente. Debe de poseer un bajo punto de ebullición. No debe de reaccionar con el soluto, ni el segundo solvente. De preferencia no de be de ser sumamente inflamable ni tóxico. De preferencia no debe ser muy costoso.
Y de forma general, debe de ser lo más inmiscible con agua.
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Consideraciones en la mezcla entre capas: El calor de la mano del usuario o las reacciones ácido/base, causan la acumulación de presión en la separación de una mezcla, por extracción. Así como la volatilización de los solventes o la acumulación de gases, por el uso de soluciones para neutralizar muestras como lo es el caso de bicarbonato de sodio. El proceso de extracción, en ocasiones, puede llevar a confundir al usuario sobre la capa de interés, ya que no se puede reconocer cual de estas es la orgánica y cual es la acuosa. Por lo cual se recomienda no descartar ninguna de estas, hasta estar totalmente seguro de cual es la de interés. La forma más sencilla de reconocer cada capa, es por medio de la adición de gotas de agua, las cuales de quedarse en la parte superior, muestran que la capa es la orgánica. En contraparte, de desaparecer de inmediato, son el indicio que se trata de la fase acuosa. Una extracción, en ocasiones puede llegar a formar la idea de que existen tres capas, cuando es recién añadida agua, ya que parte de una de las sustancias presentes (solventes) se ha separado. Este fenómeno puede ser resuelto tras agitar la am polla.
Ampolla de decantación Este instrumento de laboratorio, diseñado para la separación de sustancias. Es sumamente frágil. Cuando el líquido a separar sea añadido, este debe de ser colocado en un anillo de hierro y este debe poseer un recubrimiento plástico. Para iniciar un proceso de extracción, el primer paso e s cerrar la llave de flujo. Y con la ayuda de un embudo, llenar con la solución a extraer y añadir el segundo solvente a utilizar. Posteriormente cerrar este y proceder a agitar, con ambas manos. Siempre debe de sostenerse en la parte inferior. Luego de agitar, debe de abrirse la llave de flujo y liberar el gas contenido en el mismo. Repitiendo este proceso hasta que ya no pueda ser audible la liberación de gas. Cuando el proceso de separación ha sido terminado, debe de colocarse la ampolla en un anillo de hierro. Y debe de ser removido el tapón de vidrio de la parte superior de forma inmediata. Se observará que se crean dos capas. De utilizar éter dietílico como solvente, la capa orgánica se verá formada en la parte superior del matraz. Cuando sea de inter és eliminar la fase acuosa, esta debe de ser eliminada a través de la llave de flujo Y la capa orgánica remanente, se debe de añadir por segunda ocasión éter fresco. Con lo cual se elimina las trazas de la fase acuosa, tras agregar un agente secante.
Agente secante Tras el proceso de extracción, muchas veces la fase orgánica se presenta como húmeda, dada la presencia de trazas de la fase acuosa. Pese a la inmiscibilidad entre solventes. Es utilizado un agente secante. Este es un compuesto iónico inorgánico anhidro (sal), el cual absorbe agua tras estar expuesta a ella (compuesto higroscópico). Este debe de ser añadido de forma directa, a la muestra, obteniendo así una muestra libre de agua. Cabe destacar que durante el proceso de extracción, si la ampolla es agitada de forma muy vigorosa. Puede formarse una emulsión (suspensión coloidal de un líquido en otro). Dado que el movimiento vigoroso de la mezcla, hace que partículas de una de estas entre en contacto con el segundo solvente. Su separación requiere de un tiempo prolongado. Por lo cual se dan las siguientes consideraciones: 1. Una emulsión, puede romperse con el paso de tiempo. Por lo cual se considera tener paciencia un paso esencial. Puede favorecerse este proceso si se agita suavemente con una varilla de agitación. 2. Si uno de los solventes es agua, puede añadirse una solución saturada de cloruro de sodio, con lo cual se destruye la emulsión. Ya que el agua en la capa orgánica, viajará a la solución donde está la sal por el proceso de ósmosis. 3. Puede ser añadido un poco de detergente para trastos, con lo cual se puede separar fácilmente la fase orgánica. 4. El uso de filtración por gravedad puede ayudar a romper este proceso. 5. De utilizar una ampolla de decantación, puede ser agitado en forma de remolino con la ayuda de una varilla de agitación.
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Extracciones etéreas. El uso de éter dietílico como solvente para extracciones. Es utilizado ampliamente, por su facilidad para ser eliminado, pero trae consigo algunos riesgos: Altamente inflamable y forma con facilidad peróxidos. Los cuales se forman cuando este entra en contacto directo con la luz solar.
Coeficiente de distribución Cuando una solución, es agita en presencia de un segundo solvente y son los solventes inmiscibles. El soluto se distribuye entre ambas fases del líquido. Cuando las dos fases son separadas nuevamente, en dos capas por los solventes, se forma un equilibrio entre estas. La relación entre las solubilidades, de estas se conoce como coeficiente de distribución o coeficiente de partición.
Donde y son las concentraciones en equilibrio, en gramos por litro o mililitros por mililitro de soluto. Esta relación entre las concentraciones es independiente, de la cantidad de cada uno de los solventes mezclados. Por lo cual se infiere, que no todo el soluto será transferido hacia el segundo solvente; a menos que el valor de la constante sea sumamente alto. Ya que requiere de muchas extracciones, remover el soluto del solvente original.
Imagen 1. Ampolla de decantación.
Imagen 2. Forma adecuada de agitar una ampolla de decantación.
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Solventes En un sentido limitado una solución son fases homogéneas de líquidos de sustancias en radios variables (Reichardt, 2004). Cuando por conveniencia una sustancia, la cual es llamada solvente y esta puede ser una mezcla, es tratada diferente respecto a otras sustancias, las cuales se denominan solutos. Por lo cual, la sustancia en menor cantidad es denominada soluto y la que esté en exceso, solvente (Chang, 2007). Durante las soluciones y preparación de estas, se rige la solubilidad de estas así como su miscibilidad. En la cual se involucran propiedades como la polaridad de las moléculas. De forma correspondiente, la interacción entre el solvente y el soluto, conforme a su polaridad puede ser resumida en la siguiente tabla: Tabla 1. Interacción entre solventes y solutos. Soluto A Soluto B Interacción No-Polar No-Polar Polar Polar
No-Polar Polar No-Polar Polar
Solubilidad de A en B
Débil Débil Fuerte Fuerte
Débil Fuerte Débil Fuerte
Débil Débil Débil Fuerte
Puede ser alta Probablemente baja Probablemente baja Puede ser alta
Interacciones intermoleculares entre los solventes, pueden ser resumidas como: 1. 2. 3. 4. 5.
Fuerzas atractivas de London. Fuerzas atractivas Dipolo-Dipolo. Puentes de hidrógeno. Fuerzas atractivas entre iones. Competencia molecular, fuerzas/solubilidad.
Fuerzas atractivas de Lo ndo n.
Moléculas que contienen únicamente carbono e hidrógeno, son débilmente atraídas unas a otras por medio de fuerzas de London. Estas fuerzas son causadas por cargas momentáneas en la densidad electrónica de la molécula, ya que es la única fuerza presente en los compuestos apolares (se aclara que todos los compuestos poseen fuerzas de dispersión de London). El área superficial de la molécula determina la fuerza de las interacciones, de Van der Waals (Fuerzas de London). Con lo cual, a mayor área superficial, mayor será la atracción entre m oléculas. Pese a que estas fuerzas son débiles, la intensidad entre las mismas aumenta conforme el tamaño de la molécula aumenta. Por lo cual mientras más grande sea la molécula; mayor será la atracción de esta con moléculas vecinas. Otro factor determinante en estas, es la polarización. La cual se define como una medida en la cual, las nueves de electrones alrededor del átomo responde a los cambios en su ambiente electrónico. Fuerzas atractivas Dipolo -Dipolo Son las fuerzas atractivas entre dipolos permanentes, de dos moléculas polares. Aumenta, conforme los compuestos posean grupos funcionales o átomos sumamente electronegativos como Cloro, Iodo, Nitrógeno, Oxígeno o Flúor. Estos átomos mueven hacia sí los electrones, logrando que una parte del enlace posea una carga parcial negativa, con lo cual generan un polo en cada extremo de la molécula. Estos polos, incrementan las fuerzas intermoleculares, ya que extremos con la misma carga son repelidos y extremos con la misma carga, son atraídos.
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No varía la interacción entre el soluto o el solvente. Es difícil romper la interacción entre 3 Es difícil romper la interacción entre 2
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Puentes de hidrógeno Este tipo de fuerzas, ocurren cuando un hidrógeno unido a un oxígeno, nitrógeno o flúor, es electroestáticamente atraído a un par de electrones en un oxígeno, nitrógeno o flúor de otra molécula.
Fuerzas atractivas entre ion es Los compuestos iónicos (átomos, moléculas o una combinación de ambos, con distinta carga) están unidos por interacciones electroestáticas extremadamente fuertes. En una mayoría los compuestos orgánicos, no poseen este tipo de fuerzas con tres simples excepciones.
1. El hidrógeno en el de un grupo carboxilo, en ácido carboxílicos; cuando reacciona con bases para formar sales. 2. El hidrógeno en un grupo que está unido a un anillo aromático, el cual es ligeramente ácido y reacciona con bases fuertes, formando sales. 3. Aminas, las cuales son básicas, las cuales reaccionarán con ácidos para formar sales de aminas.
TOXICIDAD, FORMAS DE DESECHO, PROPIEDADES FÍSICAS Y ANTÍDOTOS. Tabla 2. Propiedades físicas de los compuestos a utilizar. Compuesto Fórmula Punto de fusión Éter dietílico Ácido benzoico -Naftol Hidróxido de Sodio Bicarbonato de sodio Agua
Punto de ebullición.
Densidad
Tabla 3. Toxicidad, antídotos y forma de desecho, de reactivos a utilizar. Compuesto Toxicidad Antídoto Éter dietílico Peligroso tras ingestión, Tras contacto con los ojos, inhalación, contacto con los enjuague durante 15 ojos y piel. minutos. Tras contacto con la piel lave abundantemente. cido benzoico Tras inhalación produce En caso de inhalación, irritación en el tracto lleve a un lugar con aire digestivo, nariz y garganta. fresco y provea de Tras ingestión produce respiración artificial. nausea. -Naftol Tras inhalación produce tos y Tras contacto con piel u dolor de garganta. Tras ojos, lave de forma contacto con la piel causa abundante. Tras inhalación enrojecimiento. Tras o ingestión, lleve a un consumo, puede producir médico de inmediato. convulsiones, diarrea y vómitos. Hidróxido de Sodio La inhalación e ingestión de Si entra en contacto con este producto, produce una los ojos, adicione ácido severa irritación. Puede bórico. De estar en llegar a causar quemaduras contacto con la piel, de tercer grado e incluso adicione ácido acético muerte.
Forma de desecho Puede ser incinerado para su eliminación.
Neutralice y almacene para su posterior eliminación.
Almacene para su posterior tratamiento.
Neutralice con un ácido fuerte y libera libremente.
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Bicarbonato de sodio
Agua
El contacto prolongado, puede llegar a causar cierto grado de irritación. El contacto con los ojos causa irritación. Puede producir irritación en la piel. Tras ingestión produce una disminución de la cantidad de electrólitos.
Lave de forma abundante, el área afectada por 15 minutos.
Neutralice libremente.
y
deseche
Tras ingestión, consuma bebidas electrolíticas.
Clasifique como ácido o base, neutralice y libere.
Tabla 4. Estructura de los reactivos a utilizar. Compuesto Estructura Éter dietílico
Ácido benzoico
-Naftol
Hidróxido de Sodio Bicarbonato de sodio
Agua
OBJETIVOS 1. Determinar el porcentaje de recuperación, tras la extracción. 2. Comparar el volumen obtenido de la extracción, con el obtenido por medio del coeficiente de distribución.
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DIAGRAMA DEL EQUIPO
Imagen 3. Ampolla de decantación para separaciones de mezclas líquido-líquido.
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METODOLOGÍA Práctica #5 Separación por medio de extracción
En un erlenmeyer de 125 mL, disolver 2 g de la muestra en 25 mL de éter dietílico.
Añada a una ampolla de decantación. Añada 5 mL de éter al erlenmeyer y agregue a la ampolla. Adicione 25 mL de solución de NaHCO3 A la fase acuosa, sepárela y nombre “MATRAZ A” Añada 10mL de agua y libere la fase acuosa en el recipiente “MATRAZ A” Adicione solución de NaOH A la fase acuosa, sepárela y nombre “MATRAZ B”
Añada 10mL de agua y libere la fase acuosa en el recipiente “MATRAZ B” A la fase orgánica con éter, añada a un recipiente con diatomita
Enfríe cada uno de los matraces y neutralice con HCl
Separe los precipitados, por medio de filtración al vacío y lave con porciones de agua fría
Deje las muestras “A” y “B”, en una desecadora, pese y calcule el porcentaje de rendimiento.
Fin Práctica #5
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MECANISMOS DE REACCIÓN Mecanismo 1. Descripción general de la neutralización y separación en fases.
Mecanismo 2. Neutralización de los compuestos, según el Mecanismo 1.
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Mecanismo 3. Protonación de los compuestos, según el m ecanismo 1. Tras adición de .
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Chang, R. (2007). Química . Madrid: McGraw-Hill. 2. Furniss, B. S., Hannaford, A. J., Smith, P. W., & Tatchell, A. R. (1989). VOGEL's Textbook of Practical Organic Chemistry. London: Longman Scientific & Technical. 3. John, R. D., Jones, A. M., Holmes, D., Reed, R., Weyers, J., & Jones, A. (2002). Practical Skills in Chemistry. Essex: Pearson Educated Limited. 4. Levine, I. N. (2008). Physical Chemistry. Brooklyn, New York: McGraw-Hill Science. 5. Masters, K. M., & Williamson, K. L. (2011). Macroscale and Microscale Organic Experiments. Belmont: Cengage Learning. 6. Pavia, D. L., Lampman, G. M., Kriz, G. S., & Engel, R. G. (2002). Microscale and Macroscale Techniques in the Organic Laboratory. Washington: Thomson Brooks/Cole. 7. Zubrick, J. W. (2011). The Organic Chem Lab Survival Manual. Hudson: John Waley & Sons, Inc.
