LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA I SÍNTESIS DE ÁCIDO FÓRMICO A PARTIR DE METANOL Valeria Arias, Miguel Barba, Daniela Boada, María Cristina Nevárez Escuela Politécnica Nacional, Ingeniería Química y Agroindustria, Ingeniería Química
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected]
RESUMEN EJECUTIVO En el desarrollo de esta práctica se buscó preparar ácido fórmico a partir del metanol. Así, rápida y cuidadosamente se armó el equipo. Primero, se armo el equipo para el sistema de reflujo. Una vez listo, se partió de un mezcla de 60 ml de agua destilada con 6 g de dicromato de potasio. Se agitó hasta que el sólido estuvo disuelto y posteriormente se agregó 10 ml de ácido sulfúrico concentrado y, poco a poco, se agregó 10 ml de metanol esperando que la reacción exotérmica cese en cada caso, con agitación constante.
Posteriormente, se adapto el sistema en posición de destilación y se destiló alrededor de 30 ml de ácido fórmico. Se tituló la solución 5 veces diluyendo 5 ml de ácido fórmico en 25 ml de agua destilada en cada caso, con unas gotas de fenolftaleína, con una solución de hidróxido de sodio con una concentración de 5g/l. Se obtuvo una concentración media del ácido fórmico igual a 0.065 N y un rendimiento del 40% el cual es bajo.
1. INTRODUCCIÓN El ácido fórmico o metanoico es el ácido orgánico más sencillo que en cantidades notables se halla en el reino animal y vegetal, así como mineral. Presentándose como un líquido incoloro y de olor picante, de punto de ebullición 373.9 K. (Gutsche y Pasto, Fundamentos de Química Orgánica, 1975).
formal, llegando a calcularse la producción mundial de este en miles de toneladas (95000 toneladas en 1976). La obtención de ácido metanoico, puede darse mediante diferentes procesos:
Su descubrimiento se dio en el siglo XVII, en la hormiga roja, así como en varias plantas (como hojas de ortigas y pinos, así como en ciertos frutos); conforme se comprendían más sus características, su importancia aumentaba hasta llegar a ser uno de los ácidos comercialmente más importantes. Su importancia industrial se debe tanto a sus propiedades como ácido carboxílico, como a su poder reductor como hidroxialdehído
Hidrólisis de cloroformo con potasa alcohólica (disolución de hidróxido de potasio en alcohol etílico). Saponificación de formiato de metilo. Hidratación de CO (gas de síntesis) por reacción con una solución básica (hidróxido de sodio), a altas presiones y temperaturas, siendo el proceso industrialmente más empleado en la actualidad. (Proceso de Berthelot). Oxidación de metanol o de formaldehído.
La oxidación de metanol, corresponde a la reacción que se da entre el metanol y una solución ácida de algún agente fuertemente oxidante, implicando una pérdida de electrones. La semirreacción nos muestra esta pérdida:
2.2. REACTIVOS: o o o o o o o
Dicromato de Potasio ( 6g ) Ácido Sulfúrico Concentrado (10 mL) Metanol (10 mL) Hidróxido de Sodio Sodio al 5% Fenolftaleína Agua destilada en disolución (60mL) Agua destilada en titulación (125mL)
2.3. MÉTODO:
La ecuación completa para la oxidación con una mezcla de dicromato de potasio y ácido sulfúrico es:
2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. MATERIALES: o
o o o o
o o o o o o o o o o o o o o
1 Balón de fondo plano de 250mL 1 Probeta de 100mL y 10mL 1 Pipeta de 5mL 1 Bureta de 25mL 2 Vaso de precipitación de 100mL 2 Matraz Erlenmeyer de 100mL 1 Refrigerante de agua 1 Trípode hierro 1 Malla metálica 2 Mangueras 3 Soportes universales 2 Pinzas de asbesto 1 Mechero Bunsen 1 Tubo curvado de vidrio 1 Balanza digital 1 Pinza doble nuez 3 Corcho 1 Espátula 1 Piseta
1. En un balón de fondo plano de 250mL colocar 60mL de agua y 6g de dicromato de potasio. Agitar hasta disolver el sólido. 2. Una vez disuelto el sólido, añadir 10 ml de ácido sulfúrico concentrado, en proporciones de 1mL cada vez que cese la reacción exotérmica que se produce en el balón. Añadir núcleos de ebullición. 3. Adaptar al balón un refrigerante de agua en posición de reflujo, tal como se indica en la Figura 6. de la guía del estudiante. 4. Por el extremo superior del refrigerante añadir 10 ml de metanol en proporcione s de 1ml cada vez, dejando que cese la reacción exotérmica que se origina en el balón antes de añadir la siguiente proporción de metanol. 5. Durante este tiempo agitar el valor con frecuencia. 6. Al agregar todo el metanol y al no generar más calor (unos 5 minutos) adaptar el sistema en posición de destilación. 7. Destilar unos 25-30mL del líquido. Éste destilado consiste en una solución acuosa de ácido fórmico. 8. Preparar una solución de hidróxido de sodio al 5% en peso. 9. Para tener una idea aproximada de la cantidad de ácido fórmico obte ob teni nido do;; disolv disolver er 5ml de destil destilado ado en 25 ml de agua y se añaden unas gotas de fenolftaleína.
10. Titular la solución ácida con la solución de hidróxido de sodio al 5% y determinar el volumen necesario.
11.RESULTADOS Y DISCUSIÓN En primer lugar, con la concentración de la sosa cáustica se calculó la concentración promedio del ácido fórmico obtenido y con este el número de moles obtenidas experimentalmente.
cido Fórmico Concen V Concentra tración [m V [mL] ción [N] L] [N] 0.071 1.7 1.25 30 0.067 1.6 1.25 30 0.067 1.6 1.25 30 0.063 1.5 1.25 30 0.058 1.4 1.25 30 ̅ [N] (alícuota 0.065 diluida) [ ](en 0.00195 cada alícuota) [N] (alícuota 0.39 previa dilución) 0.0117 [] ] NaOH
Parámetro Valor producido Concentración del producto
Unidad mol N [Peq/L]
Reactivo limitante
g
% $
Costo total
6.00 (de )
40.00 6.27
De esta manera se pudo conocer que la preparación experimental de ácido fórmico no tuvo un rendimiento aceptable ya que fue apenas mediano en relación a un costo alto de producción para el volumen de obtenido con una baja concentración.
12.CONCLUSIONES o
o
o
Se determinó además que el reactivo limitante fue el bicromato de potasio en 6 g.
En base a los datos obtenidos en la bibliografía se encontró el precio de las cantidades empleadas de reactivos y el costo total del producto.
0.39
Tabla No. 2.- Resultados de la práctica
Tabla No. 1.- Concentración de ácido fórmico. Titulación
Con las cantidades estequiométricas requeridas y el reactivo limitante se calculó las moles teóricas de ácido fórmico que se debió obtener y con ello, el rendimiento de la reacción que llegó al 40%.
Valor 0.0117
o
o
Se logró obtener ácido fórmico a partir de metanol con un rendimiento no tan provechoso del 40%. Se comprobó la naturaleza exotérmica de la reacción a través del tacto del balón utilizado, el cual se calentó. La concentración del producto obtenido fue baja y el costo de síntesis alto por lo que la producción de ácido fórmico a través de este método experimental en una mayor escala se concluyó que no sería adecuada. Durante las titulaciones se apreció claramente el punto de neutralización con el cambio de color de la mezcla por la neutralización del ácido con la base. Las titulaciones se efectuaron añadiendo la solución de base sobre la solución que contenía el
ácido puesto que esta última estaba en una concentración muy baja, lo cual evitó una reacción violenta.
14. BIBLIOGRAFÍA o
“Manual
o
o
Asegurarse que el equipo experimental no tenga fugas ya que estas pueden dejar escapar el ácido y este podría perder su concentración y propiedades. Los reactivos utilizados como el ácido sulfúrico concentrado y el ácido fórmico obtenido como producto son corrosivos y de olor penetrante, por lo que es importante el uso del equipo personal de seguridad (guantes, gafas y mascarilla). Dejar pasar por la bureta un par de veces la solución acuosa de hidr hi dróxi óxido do de sod sodio, io, para para encer encerar ar correctamente y de esta forma no exista error por la formación de vacío.
H., de
Walter, Química
W.,
1987,
Orgánica”,
19va. Edición en Alemán (versión española), Editorial Reverté S.A., Barcelona, España, pp. 251,252.
13.RECOMENDACIONES o
Beyer,
o
o
o
o
Parry, Robert W., 1973, “Química: Fundamentos Experimentales”,
Editorial Reverté S.A., Barcelona, España, pp. 530,531. http://www.sigmaaldrich.com/catalog /product/sial/207802?lang=en® /product/sial/207802?lang=en®io io n=EC http://www.sigmaaldrich.com/catalog /product/sial/320501?lang=en® /product/sial/320501?lang=en®io io n=EC http://www.sigmaaldrich.com/catalog /product/sial/34860?lang=en®io /product/sial/34860?lang=en®ionn =EC
ANEXO -
Cálculo de la concentración de la Sosa:
-
Concentración del ácido en cada titulación:
Ejemplo de cálculo: Titulación 1:
No. De titulación:
-
2 3 4 5 Concentración promedio:
-
∑
Concentración del producto previo a la dilución:
-
Moles experimental: En cada 5mL de alícuota
Totales: teniendo 30 mL de destilado se tuvieron 6 alícuotas
-
Cantidades molares de cada reactivo: Masa de ácido sulfúrico:
Masa de metanol:
Reactivo Masa [g] Peso Molecular [g/mol] n [mol] 6 294 0,020 18.4 98 0,188 7.9 32 0,247 -
Cálculo del Reactivo limitante:
-
Ácido fórmico teórico:
-
Rendimiento:
-
i
Costos de cada reactivo: Reactivo Cantidad Base Precio [$] Cantidad empleada Precio [$] 100 g 78.20i 6g 4.69 ii 500 mL 55.20 10 mL 1.10 iii 1L 47.60 10 mL 0.48 6.27 Costo Total [$]
http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/207802?lang=en®ion=EC http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/320501?lang=en®ion=EC iii http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34860?lang=en®ion=EC ii
