SÍNTESIS Y ANÁLISIS DE UN COMPUESTO DE D E OXALATO DE ALUMINIO Y POTASIO.SINTESIS Y ANÁLISIS DEL COMPLEJO OXALATO. Sebastián Tovar Molina (1235115), Christian Rojas De La Cruz (1240148)
[email protected],
[email protected] Universidad del Valle, Facultad de ciencias naturales y exactas, Departamento de Química. Fecha de realización: 18 y 25 de Marzo de 2014. Fecha de entrega: 08 de Marzo de 2014
Resumen Se sintetizo el complejo K 3 Al(C2O4 )*3H2O) a partir de papel aluminio al cual se digesto en medio básico con hidróxido de potasio donde se obtuvo KAl(OH) 4 , el cual se calentó hasta ebullición para adicionar ácido oxálico monohidratado con el fin de formar el compuesto oxalato de aluminio. Nuevamente se calentó y se dejó en reposo para agregar por último etanol donde se precipitaron los cristales correspondientes al aluminato de potasio trihidratado los cuales fueron analizados por el método de permanganometría y por espectroscopia de infrarrojo. Se obtuvo un peso de la muestra sintetizada de 0.1800 g, un porcentaje de rendimiento del 3.638%, y un porcentaje de pureza del 120.23%. Se tiene que la coordinación del ligando oxalato con el aluminio es octaédrica. Palabras clave: complejo tris (oxalato) aluminato (III) de potasio, ácido oxálico, permanganometría, espectroscopia IR.
consecuencia de su movimiento de vibración o de rotación, solo en estas circunstancias, el campo eléctrico alternante de la radiación puede interaccionar con la molécula, y causar así cambios en la amplitud de alguno de sus movimientos [3] .
1. Introducción. En la práctica de laboratorio se produce el compuesto K 3 Al(C2O4)3 en este compuesto se puede analizar cómo es la formación de un complejo de coordinación de los partes electrónicos de los oxígenos cargados negativamente y los orbitales d libres del Al. El ion Al 3+ actúa como ácido de Lewis con sus orbitales vacíos, con los aniones oxalato C2O42-, estos actúan como bases de Lewis acomplejando con los pares electrónicos libres al átomo de aluminio, este compuesto posee una estructura octaédrica [1]. El catión Al3+ acomplejado con 3 aniones C2O42- con una carga total de 3- que es neutralizada con los contra iones K +. El análisis del compuesto sintetizado se realiza por oxido-reducción utilizando el KMnO 4 como agente oxidante que oxida a los iones oxalato llevándolos a CO 2. El otro método utilizado es el espectro de infrarrojo en el cual una molécula absorberá la energía de un haz de luz infrarroja cuando dicha energía incidente sea igual a la necesaria para que se dé una transición vibracional de la molécula. Para absorber radiación infrarroja, una molécula debe experimentar un cambio neto en el momento bipolar como
2. Datos, cálculos y resultados. Para la síntesis del complejo oxalato de aluminio se pesó papel aluminio cortado en pequeños pedazos y se adicionó gota a gota 25 mL de KOH 12%. Se produjo una fuerte efervescencia y se calentó la solución hasta lograr la ebullición. Posterior a esto se filtró con la solución en caliente. Para minimizar la perdida de la solución se realizó lavados con agua destilada. Nuevamente se calentó la solución hasta lograr ebullición y se agregó ácido oxálico en pequeñas porciones agitando constantemente y con una continua ebullición hasta lograr una solución clara. Nuevamente se filtró la solución en caliente y al precipitado se agregó 20 mL de etanol gota a gota con agitación constante. Se realizó la formación de los cristales y se filtró al vacío. Se lavó los cristales con una mezcla de agua fría y etanol en volúmenes iguales. Se lavó nuevamente los cristales 1
con etanol frio y se dejó secar al aire para luego ser pesados. A continuación se muestra los resultados obtenidos en la experimentación.
Tabla 1. Resultados obtenidos en la síntesis de
Se sabe que el porcentaje de rendimiento describe la relación de rendimiento experimental y teórico.
oxalato de aluminio. -4
Compuesto
Peso (±1.0x10 g)
Papel aluminio
0.5010
H2C2O4
7.0074
K3 Al(C2O4)33H2O
0.1800
Ecuación 1. Porcentaje de rendimiento. De acuerdo a lo anterior se tiene: Porcentaje de rendimiento para complejo de aluminio.
Para calcular el porcentaje de rendimiento se determina primeramente el peso teórico del complejo estudiado; este se determina mediante el reactivo limitante. En base a los esquemas presentados en la sesión, análisis de resultados, se obtiene lo siguiente. Reactivo limitante.
Para realizar la caracterización del complejo tris (oxalato) aluminato (III) de potasio se utilizó dos técnicas, el espectro de infrarrojo y la permanganometría. Esta última técnica se llevó acabo con una solución de KMnO 4 estandarizada a partir de oxalato de sodio y añadiendo 50 mL de H 2SO4 5% hasta disolución completa. Se calentó la solución a 60°C y posteriormente se valoró con la solución de permanganato mencionada. En el proceso se tuvo cuidado con esta solución puesto que en presencia de la luz se oxida. Posterior a esto se pesó el complejo de aluminio y se tituló con el permanganato estandarizado.
Tabla 2. Estandarización del permanganato y
valoración del complejo. Descripción Volumen KMnO4 para estandarización (± 0.03 mL)
Peso Na2C2O4 para estandarización
Resultado 7.20
0.0205
-4
(±1.0x10 g) Peso del K3 Al(C2O4)33H2O -4 (±1.0x10 g) Volumen KMnO4 para viraje de complejo. (± 0.03 mL)
Por consiguiente el reactivo limitante que reacciona con 0.0107 mol del complejo de aluminio es el hidróxido de potasio. Peso teórico del complejo de aluminio.
2
0.0507
21.10
Estandarización del permanganato según el esquema que se presenta en la sesión análisis de resultados.
Esquema 1. Aluminio solido e hidróxido de
potasio.
Es importante destacar que el aluminio tiene características anfóteras. Esto quiere decir que también se hubiera podido disolver en acido formando sales de aluminio. En este caso se disolvió en hidróxido de potasio y se produjo KAl(OH) 4 con desprendimiento de un gas que correspondía al hidrogeno molecular gaseoso. Para producir el oxalato se calentó el KAl(OH) 4 hasta el punto de ebullición para poder realizar la sustitución de los iones hidroxilo por los iones oxalato debido a que la reacción tiene una alta energía de activación lo que la hace lenta, por lo tanto hay que acelerar la cinética con calor para poder agregar el ácido oxálico, el cual dona fácilmente el ion oxalato, lo que hace que se forme el aluminato de potasio. En el aluminato de potasio el aluminio contiene al anión oxalato que es un ligando bidentado porque tiene dos átomos donadores de electrones que son dos de sus oxígenos; como son donadores de electrones son considerados como bases de Lewis y por lo tanto el metal se comporta como un ácido de Lewis, por esta razón las interacciones que se presentan entre metalligando es considerada una reacción ácidobase de Lewis [1]. Este ligando en la coordinación solo puede ocupar posiciones cis de un octaedro porque no son lo suficientemente largos para ocupar posiciones trans; si tres ligandos bidentados rodean el metal, se obtiene complejos con forma de elipse. Tiene una hibridación sp 3d2, un sistema cristalino monoclínico y una geometría molecular octaédrica [2].
Moles de K3 Al(C2O4)33H2O.
Para sintetizar el complejo tris(oxalato) aluminato (III) de potasio se pesó papel aluminio y se adicionó lentamente hidróxido de potasio. En medio acuoso, el hidróxido de potasio se disocia en K + y OH- .
3. Análisis de resultados.
Moles Oxalato en el compuesto.
Por tanto la relación estequiometríca entre moles de oxalato y moles del complejo de aluminio es: Para calcular el porcentaje de pureza se tiene. 3
La estabilidad de los complejos octaédricos dependen de los ligandos que coordinan al catión [2], para este caso ligando es bidentado C 2O42-, donde se coordina con el Al3+ hexacoordinado.
Al agregar todo el ácido oxálico el compuesto formado es incoloro esto debido a que no hay promoción de los electrones en los orbitales d , presumiblemente debido a que forman el enlace con los grupos oxalato. Posterior a esto se filtró y para precipitar el compuesto se agregó etanol porque el compuesto es soluble en etanol caliente, por lo que al filtrar se pueden eliminar las impurezas insolubles; sin embargo, cuando se disminuye la temperatura, también disminuye la solubilidad del compuesto y precipita. Desde luego para la formación de los cristales se dejó enfriar el compuesto hasta la formación de dichos cristales blancos. Finalmente se lava los cristales con etanol y agua fría debido a que el compuesto es insoluble a esa temperatura.
Figura 1. Complejo de aluminio. El aluminio queda entonces unido a seis oxígenos por lo tanto su número de coordinación es seis. De acuerdo a esta geometría la hibridación del aluminio es sp3d2, esta hibridación es posible gracias a que el aluminio se encuentra con un estado de oxidación 3+ y tiene los orbitales de su capa de valencia disponibles para enlazarse con cuatro de los seis oxígenos de los iones oxalato por lo que se requieren dos orbitales más que corresponden a orbitales d. La propiedad que da al aluminio la capacidad de formar complejo del tipo de los metales de transición son los orbitales d libres que tiene espacio para recibir tres ligandos y a la vez puede hacer interactuar sus tres electrones de la capa de valencia dejando un total de seis espacios. El oxalato de aluminio es trihidratado ya que los seis oxígenos más externos forman enlaces de hidrogeno con seis átomos de hidrogeno correspondientes a las tres moléculas de agua, es por esto que para los cálculos se involucra los pesos de sus aguas. Al agregar el ácido oxálico el exceso de base se neutraliza. La reacción global es la siguiente.
Al observar el porcentaje de rendimiento de 3.683%, se evidencia el alto error cometido en los lavados con agua realizado para minimizar la perdida de solución durante la ebullición, puesto que se diluyó demasiado las soluciones y por consiguiente se obtiene muy poco compuesto.Otra razón se debe a que el ligando no reacciona completamente con el aluminio, pues hay que aplicarle energía en forma de calor para que la reacción se lleve a cabo y ocurra una disociación del potasio y el aluminio para que el ligando haga interacciones con el aluminio. Para la caracterización del complejo de aluminio se utilizaron dos técnicas la permanganometría y el espectro de infrarrojo. En cuanto al análisis del IR se sabe que la espectroscopia se fundamenta en la absorción de la radiación infrarrojo por las moléculas en vibración, su aplicación más inmediata es en el análisis cualitativo específicamente la detección de las moléculas presentes. Una molécula absorberá la energía de un haz de luz infrarroja cuando dicha energía incidente sea igual a la necesaria para que se dé una transición vibracional de la molécula. Es decir, la molécula comienza a vibrar de una
Esquema 2. Síntesis del complejo de aluminio.
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determinada manera gracias a la energía que se le suministra mediante luz infrarroja. Para absorber radiación infrarroja, una molécula debe experimentar un cambio neto en el momento bipolar como consecuencia de su movimiento de vibración o de rotación, solo en estas circunstancias, el campo eléctrico alternante de la radiación puede interaccionar con la molécula, y causar así cambios en la amplitud de alguno de sus movimientos [3].
Cuando aparecen dos frecuencias unidas significa que están apantalladas es decir se muestran en el mismo número de onda. En los que se enumera como 1 y 2 son evidencia que en el compuesto sintetizado se tiene un compuesto carbonílico (C=O) El 3 muestra un enlace C-O y a la vez muestra un enlace C-C. En el 4 se muestra enlace C-O y a la vez un carbono como eje entre dos oxígenos uno con enlace doble y otro sencillo En el 5 un carbono como eje entre dos oxígenos uno con enlace doble y otro sencillo, y una acomplejación entre un oxígeno y el metal en este caso Al. En el 6 enlace metal oxígeno y vibración entre C-C. Las bandas restantes se deben a impurezas de las aleaciones utilizadas para la fabricación del papel aluminio. Con el análisis por permanganometría se puede obtener un porcentaje de pureza del 120.23% debido a impurezas, ya que el papel aluminio utilizado en la síntesis es fabricado mediante aleaciones de cinc, titanio y silicio [4]. Estos metales pudieron también formar complejos con el oxalato pero en cantidades muy pequeñas que interfirieron en la síntesis del complejo de aluminio. La reacción que ocurre con el oxalato y el permanganato es la siguiente .
Figura 2. Análisis de radiación infrarr ojo. Con base en las tablas de asignación de frecuencias a las bandas de absorción se tiene lo siguiente. Se debe definir que ν es la frecuencia en la que vibran los enlaces es decir:
Esquema 3. Reacción de permanganometría Y que δ es la vibración en el ángulo, cabe resaltar que no solo se pueden mover en este plano sino que también en el eje Z y muchas veces no es simétrico es decir, uno hacia la izquierda y el otro hacia la derecha.
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4. Conclusiones
[4]. Carmelo Bula García. La guía química. El aluminio y sus propiedades. http://quimica.laguia2000.com. Revisado el 06 de Abril de 2014.
Para sintetizar el complejo K 3 Al(C2O4)3 se debe calentar el KAl(OH) 4 hasta el punto de ebullición debido a que la reacción tiene una alta energía de activación y para poder realizar la sustitución de los iones hidroxilo por los iones oxalato otorgados por el ácido oxálico. El porcentaje de rendimiento de 3.638 % es muy bajo debido a que los lavados con agua realizados para minimizar la perdida de solución durante la ebullición diluyen demasiado las soluciones. Por medio de los cálculos obtenidos se obtiene una relación de 3:1 entre moles de oxalato y moles de aluminio respectivamente, lo cual indica que el complejo obtenido es el trioxalato aluminato (III) de potasio. Por medio de la configuración electrónica del aluminio que es hexacoordinado y puede recibir 12 electrones para formar una hibridación sp3d2 la cual obedece a una geometría octaédrica se tiene que la coordinación del ligando oxalato con el aluminio es octaédrica. Con la técnica de permanganometría se tiene un porcentaje de pureza del 120.23% debido a impurezas mientras que con la espectroscopia de infrarrojo se sabe de manera precisa cualitativamente que moléculas se encuentran presentes en la muestra.
5. Referencias. [1]. D.F. Shriver, Atkins Peter. Química Inorgánica. Metal-Ligando. 4ed. McGraw-Hill Interamericana México, 200, pp. 494-498 [2]. Purcell, F. K and Kotz, C. J. Química Inorgánica, Ed.Reverte S.A, México D.F., 1979 pp 358-359. [3]. NAKAMOTO, K. Infrared and Ramanspectra of inorganic and coordination compounds. 4 ed. New york: Wiley. 1986. pp 245.
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