PREPARACIÓN Y CARACTERIZACIÓN POR ESPECTROSCOPÍA INFRARROJA DE UN COMPLEJO DE TRIOXALATO CROMATO (III) DE POTASIO TRIHIDRATADO Andrés Felipe Cabrera e-mail:
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Cesar Orlando Chavarro e-mail:
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Sandra Milena Mesías e-mail:
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Andrea Peñaranda Murillo e-mail:
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Laboratorio de Química Inorgánica II, Programa de Química, Universidad Santiago de Cali, Junio 03 de 2014
RESUMEN Esta práctica fue realizada con el propósito de preparar y caracterizar uno de los compuestos de coordinación del cromo (III), en este caso, el complejo conocido como trioxalato cromato (III) de potasio trihidratado. Para lograr esto, experimentalmente se sintetizó el complejo a partir de dicromato de potasio, ácido oxálico dihidratado y oxalato de potasio monohidratado. Posteriormente la caracterización del complejo, se llevó a cabo mediante el respectivo análisis por espectroscopía infrarroja. El porcentaje de rendimiento obtenido en la preparación del complejo de cromo (III) fue de 62.16 % con un porcentaje de error de 37.8 %, de los cuales se puede concluir que se presentaron errores de perdida en la preparación del complejo.
Por otro lado se logró la identificación exitosa del compuesto por su IR teórico. Palabras Clave: cromo (lll), espectro de IR, ligandos quelatos. 1. INTRODUCCIÓN Aunque la capacidad para formar complejos es común a todos los iones metálicos, los complejos más numerosos e interesantes son los que forman los elementos de transición. Los científicos han reconocido desde hace mucho tiempo que las propiedades magnéticas y el color de los complejos de metales de transición están relacionados con la presencia de electrones d en los orbitales metálicos. Se puede considerar que la base (es decir, el ligando) dona un par de electrones a un orbital vacío apropiado del metal. Sin embargo, se puede suponer que gran parte de la interacción atractiva entre el ion metálico y los 1
ligandos que lo rodean se debe a las fuerzas electrostáticas entre la carga positiva del metal y las cargas negativas de los ligandos. Si el ligando es iónico, como en el caso del Cl- o del SCN-, la interacción electrostática se produce entre la carga positiva del centro metálico y la carga negativa del ligando. Cuando el ligando es neutro, como en el caso del H2O o del NH3, los extremos negativos de estas moléculas polares, que contienen un par de electrones no compartido, están orientados hacia el metal. En este caso la interacción atractiva es del tipo ion-dipolo En ambos casos el resultado es el mismo; los ligandos son atraídos fuertemente hacia el centro metálico. El conjunto de ion metálico y ligandos tiene menos energía que las cargas totalmente separadas [1]. 2. OBJETIVOS • Sintetizar en el laboratorio el compuesto trioxalato cromato (lll) de potasio trihidratado. • Calcular el porcentaje de rendimiento que se obtiene en esta reacción. • Interpretar e identificar las bandas de vibración características del complejo sintetizado en base al espectro IR teórico. 3. TEORÍA El ácido oxálico (o ácido etanodioico), de estructura HOOC-COOH, es el más simple de los ácidos dicarboxílicos alifáticos. La forma comercial más común es la deshidratada, de fórmula molecular: C2H2O4.2H2O. También puede expresarse la fórmula como: HOOC-COOH.2H2O. Se trata de un ácido orgánico saturado, de cadena normal, y muy fuerte (10000 veces más fuerte que el ácido acético). Gracias al enlace entre los dos grupos carboxilos, el ácido oxálico es uno de los
ácidos orgánicos más fuertes (pKa 1 = 1.27 y pKa 2 = 4.27). Los aniones del ácido oxálico, así como sus sales y ésteres, se conocen como oxalatos. El ácido oxálico se produce en estado natural en forma de oxalato de potasio o de calcio en las raíces y rizomas de muchas plantas, como la acedera, el ruibarbo, la remolacha, y las plantas de la familia Oxalis. El nombre habitual de "ácido oxálico" proviene de la palabra de origen griego axys (agrio), debido a su sabor amargo. El compuesto químico puro fue descubierto en 1776 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele en el proceso de oxidación del azúcar por el ácido nítrico. De ahí que al ácido oxálico se le llamara también "ácido de azúcar". Friedrich Wöhler sintetizó este producto natural en 1824, y marcó el inicio de la síntesis química de productos naturales y la destrucción de las doctrinas de la fuerza vital, que separaba el reino mineral drásticamente del reino vegetal o animal [2]. La disociación de protones desde el ácido oxálico se produce de forma gradual, como ocurre con otros ácidos polipróticos. La pérdida de un solo protón resulta en el anión monovalente hidrogenoxalato (HC2O4-). Una sal con este anión suele llamarse oxalato ácido, oxalato monobásico, u oxalato de hidrógeno. La constante de equilibrio para esta ionización es -log(Ka) = 1.27. La segunda ionización, que produce el anión oxalato, tiene la constante -log(Ka) = 4.28 [2]. Los iones negativos tales como el ion oxalato pueden donar electrones a un ion metálico cargado positivamente y forman un complejo de coordinación. Los iones negativos en este complejo se denominan ligandos. El oxalato es un ligando importante en la química inorgánica, y muchos complejos de oxalato comparten ciertas características en común. Como 2
regla general, los complejos de oxalato tienden a ser insolubles en agua. Hay excepciones; los elementos del grupo 1 de la tabla periódica (potasio, sodio, etc) forman sales solubles de oxalato. Muchos ligandos tales como el agua sólo se unen a iones metálicos en el complejo en un sitio. El oxalato, sin embargo, se une a un ion en dos sitios, con dos de los átomos de oxígeno en el ion oxalato donando electrones al ion metálico central. Por esta razón, los químicos lo llaman un ligando bidentado (bi significa dos y dentado significa dientes). A veces el oxalato también puede formar complejos con un ion de metal donde también participan otros ligandos [3]. El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que no se puede saber la ubicación de un electrón y su impulso con absoluta precisión al mismo tiempo. Sin embargo, se puede calcular donde en un átomo estarán los electrones y las regiones de espacio donde será posible encontrarlos los cuales son llamados orbitales. Cuando los ligandos tales como el oxalato se unen a un ion de metal, algunos de los orbitales de los iones terminan con más energía que otros. La diferencia en energía se llama, división de campo, y es importante para determinar el color del complejo y sus propiedades magnéticas. Algunos ligandos inducen una división de campo mayor que otros. Los ligandos se clasifican en un orden de mayor a menor campo de división lo cual proporciona una lista llamada la serie espectroquímica. El oxalato se encuentra a la mitad de la serie espectroquímica, por lo que causa un mayor campo de división de ligandos que los iones de cloruro o floruro pero más pequeño que los iones de cianuro o monóxido de carbono [3].
4. APARATOS, INSTRUMENTOS MATERIALES UTILIZADOS
Y
Tabla 1. Materiales y reactivos utilizados para desarrollo de la práctica. Reactivos Elementos Ácido oxálico Plancha de dihidratado calentamiento (C2H2O4.2H2O) Oxalato de potasio monohidratado Erlenmeyer de 250 mL (K2C2O4.H2O) Dicromato de Vaso de precipitado de potasio (K2Cr2O7) 50 mL Etanol Bomba de vacío (CH3CH2OH) Papel filtro Vidrio reloj Pipeta Espátula Probeta Jeringa
el C 1
1 2 1 2 2 1 2 1 1
5. MÉTODO EXPERIMENTAL Procedimiento • Se adicionó a 3.0015 g de dicromato de potasio finamente macerado a una solución de ácido oxálico dihidratado preparado a partir de 8.84 g diluidos en 25 mL de agua. • Se calentó la mezcla hasta casi ebullición y, en ese momento se adicionó 3.56 g de oxalato de potasio monohidratado hasta que se disolvió por completo. • Posteriormente se enfrió en un baño hielo y se adicionó 5 mL de etanol. Los cristales se recogieron por filtración, se lavaron con una mezcla de etanol-agua 1:1 y luego con etanol, finalmente se dejó secar a vacío.
3
6. DATOS Y RESULTADOS Tabla 2. Datos obtenidos durante la práctica Síntesis de Cu(CH3COO)2.H2O Elemento Peso (g) K2Cr2O7 3.0015 Papel filtro 1.6391 Papel filtro + muestra 7.8196 Diferencia 6.1805
• Rendimiento de la reacción: K2Cr2O7 + 7H2C2O4 + 2K2C2O4 2K3 [Cr(C2O4).3H2O + 6CO2 + H2O
La cantidad teórica que se debe obtener del complejo es:
trihidratado mediante la espectroscopia FTIR. La síntesis del complejo se realizó mediante una serie de reacciones en las cuales se iban produciendo especies intermedias que al final nos llevaron a obtener el producto deseado. En la primera de ellas, el dicromato de potasio K2CrO7 reacciona con ácido oxálico H2C2O4; en esta reacción ocurre la reducción del Cr, al pasar de un estado de oxidación +6 a +3. La reacción implicada se muestra en mediante la Ecuación 1. K2Cr2O7 + 7H2C2O4 2K[Cr(C2O4)2(H2O)2] + 6CO2 + 3H2O
Ecuación 1. Reacción entre el K2CrO7 y H2C2O4
[ ( [ ( [ (
) ]
El complejo inicial que se forma tiene dos ligandos oxalato los cuales se enlazan al metal a través de dos átomos de oxigeno produciendo un quelato, en la Figura 1 se observa la estructura de este ligando bidentado
) ] ) ]
En base a lo anterior el porcentaje de rendimiento seria:
[ ( [ (
) ] ) ] Figura 1. Estructura del ligando oxalato
• Porcentaje de error |
|
7. DISCUSIÓN En esta experimentación se llevó a cabo la síntesis y posterior identificación del trioxalato cromato (III) de potasio
Seguidamente se hizo reaccionar el complejo intermedio obtenido de la reacción anterior, con oxalato de potasio, con el fin de obtener el compuesto final objeto de esta experimentación, la reacción general se muestra en la Ecuación 2. K2Cr2O7 + 7H2C2O4 + 2K2C2O4 2K3[Cr(C2O4).3H2O + 6CO2 + H2O
Ecuación 2. Reacción General de síntesis 4
El complejo obtenido presento una coloración negra-verdosa como se observa en la Figura 2.
Figura 2. Cristales del complejo cromato (III) de potasio trihidratado
trioxalato
proceso de cristalización no haya sido óptimo. Quedando en solución parte del complejo y eliminándose en la filtración. Por otro lado, la caracterización del complejo se llevó a cabo a través de la espectroscopia FTIR, con el fin de realizar la interpretación de este y así observar las distintas bandas características que presenta; la caracterización experimental no se llevó a cabo, pero se consultó el espectro de este complejo en la literatura además del espectro del oxalato de potasio, con el fin de comparar y así establecer las diferencias que se presenten entre ellos, estos se muestra en la Figuras 4 y 5 respectivamente.
Este complejo presenta una estructura octaédrica en la cual tres ligando oxalato se coordinan al metal a través de dos átomos de oxigeno formando un quelato como se explicó anteriormente, esta estructura se muestra en la figura 3.
Figura 4. Espectro IR del trioxalato cromato (III) de potasio trihidratado.
Figura 3. Estructura del complejo trioxalato cromato (III) de potasio trihidratado
En la experimentación se obtuvo un porcentaje de recuperación de 62.16 % con un error de 37.8 % de este complejo. Este valor de recuperación se puede atribuir a errores de perdida en el proceso de filtración al vacío, errores de tipo instrumental y del analista. Además de que existe la posibilidad de que el
Figura 5. Espectro IR del oxalato de potasio
[4]
5
En el espectro mostrado en la Figura 4 se logra identificar una banda muy intensa aproximadamente entre 1460 y 1600 cm -1 que corresponden a la tensión asimétrica y simétrica del ion carboxilato de cada oxalato presente en el complejo, de igual forma se puede identificar una banda aguda en la región comprendida entre 1370 y 1400 cm-1 que corresponde a la tensión asimétrica y simétrica del enlace C-O, así como también una banda entre 700-870 cm-1 que corresponde a la flexión de los enlaces O-C=O típicos del ligando oxalato Por otra parte se observa una banda intensa en la región comprendida entre 3600 y 3200 cm-1 que corresponde a las vibraciones de tensión del grupo OH- proveniente de la molécula de agua presente en la estructura del complejo [5]. Comparando el espectro del complejo sintetizado con el espectro del oxalato de potasio se puede observar que la banda característica del carbonilo que teóricamente se presenta entre 1600 y 1700 cm-1, se encuentra aproximadamente entre 1460 y 1600 cm-1 en el espectro del complejo sintetizado, esto se debe a la interacción del ligando oxalato con el metal, haciendo que la frecuencia de vibración del enlace C=O sea más débil. 8. CONCLUSIONES
• Se identificaron los diferentes tipos de enlace que se presentan en el complejo, mediante el espectro IR de este comparándolo con el espectro del oxalato de potasio reportado en la literatura. 9. BIBLIOGRAFÍA [1] Complejos de coordinación de cromo [En línea]. Disponible en:
(fecha de consulta Junio/2/2014) [2] Guillermo Pérez. Ácido oxálico [En línea] Disponible en: (fecha de consulta Junio/01/ 2014) [3] John Brennan. Características de los complejos de oxalato. [En línea] Disponible en: (fecha de consulta Junio/01/ 2014) [4] Spectral Database for Organic Compounds SDBS [En línea]. Disponible en: (fecha de consulta Mayo/29/2014) [5] Preparación de complejos de oxalato [En linea] Disponible en:(fecha de consulta Mayo/29/2014)
• Para la formación del complejo se realizó la reacción inicial entre el dicromato de potasio y el ácido oxálico con el fin de reducir el Cr +6 presente en el dicromato de potasio a Cr +3, estado final que se necesita para la formación del complejo final. • El ligando oxalato se coordina al metal a través de dos de sus oxígenos, dando como resultado un complejo quelato muy estable. 6
ANEXOS
Espectro IR del trioxalato cromato (III) de potasio trihidratado
Espectro IR del oxalato de potasio
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