Muestra 1 ( sólido # 5) Ácido Benzoico.

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Análisis Cualitativo

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  • 1. Identificación de una muestra desconocida (muestra solida #5) UNIVERSIDAD DEL CAUCA FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES, EXACTAS Y DE LA EDUCACIÓN DEPARTAMENTO DE QUÍMICA LABORATORIO DE ANALSIS ORGANICO CUALITATIVO PROCESOS A MICROESCALA Elaborado por: Brandon Rosero López (brosero@unicauca.edu.co) Identificaciónde una muestra desconocida (muestra solida #10) Resumen: Se realizaron pruebas cualitativas para la identificación de la muestra problema entregada, los procedimientos realizados se tomaron de la guía de laboratorio, cada procedimiento arrojo un determinado resultado los cuales fueron fundamentales para la identificación de la muestra sólida entregada, una característica importante de la muestra es su coloración blanca, además sus propiedades físicas como su solubilidad, y punto de fusión, las propiedades químicas de la muestra también fueron una herramienta importante para la orientación de nuestras sospechas de identificación del compuesto. INTRODUCCIÓN El comportamiento químico y físico de una molécula orgánica se debe principalmente ala presencia en su estructura de uno o varios grupos, funciones o familias químicas. Los grupos funcionales son agrupaciones constantes de átomos, en disposición espacial y conectividad, que por tal regularidad confieren propiedades físicas y químicas muy similares a la estructura que las posee. Los métodos para determinar los elementos presentes en los compuestos orgánicos deben incluir como primer paso la destrucción de la estructura orgánica covalente y formación de productos para los cuales se disponga de métodos analíticos estandarizados para determinar materiales inorgánicos. La naturaleza orgánica de muchos compuestos se puede manifestar por su inflamabilidad, si son volátiles, o por su carbonización hasta residuos negros si no son volátiles. Las llamas fuliginosas y la carbonización son pruebas para el carbono.De más confianza es la descomposición del compuesto con oxido cúprico. El dióxido de carbono producido precipita carbonato de calcio a partir de una disolución de cal. [1] OBJETIVOS Identificar la muestra problema otorgada, durante el tiempo de 4 sesiones de trabajo Aplicar los procedimientos recomendados por la guía de laboratorio y así tener una orientación más acertada en la identificación del compuesto Adquisición de habilidad en la identificación del compuesto generando así unos resultados más acertados
  • 2. Identificación de una muestra desconocida (muestra solida #5) RESULTADOS Prueba Resultado Observación Punto de fusión 122,1°C-125,1°C La rampa de temperatura fue programada de 2°C/min Pruebas de solubilidad Agua: Insoluble HCl 5%: insoluble NaOH 10%: Soluble NaHCO310%:Soluble Se clasifico al grupo A1 Se solubilizo en agua caliente y precipito en agua fría Prueba de Dumas Positivo Se determino la presencia de carbono e hidrogeno Prueba de fusión con sodio Azufre: Negativo Nitrógeno: Negativo Halógenos: Negativo Esta prueba se realizo 3 veces asegurando que los resultados obtenidos sean confiables Prueba con NaHCO3 10% Positivo Se observo la producción de burbujeo, producción de CO2, esta prueba se realizó 2 veces, se tomo pH y este resulto levemente ácido Prueba de yodoformo Negativo Esta prueba eliminó la sospecha de una cetona (RCOCH3) Prueba 2,4-Dinitrofenilhidrazonas Negativo Esta prueba eliminó la sospecha de un aldehído y cetona Prueba de sublimación Positivo Los cristales formados por sublimación presentaron una forma de aguja, este fenómeno se presenta también para el Ac. Benzoico Tabla 1. Resultados experimentales. Derivado Resultado Observación Cloruro de Acilo Positivo Se obtuvo una solución amarilla al final, no se realizo la cristalización porque se sería utilizado posteriormente Amida Positivo Formación de cristales Blancos, se tomo el punto de fusión 123°C. Tabla 2. Resultados de los derivados.
  • 3. Identificación de una muestra desconocida (muestra solida #5) ANALISIS Y DISCUSION DE LOS RESULTADOS Las pruebas realizadas para la identificación de la muestra problema entregada siguieron una secuencia ordenada para poder garantizar una respuesta acertada a nuestro problema, iniciamos con la prueba de solubilidad, este procedimiento se realizo de manera secuencial y ordenada siguiendo el protocolo estándar propuesto en la guía de laboratorio, en la tabla 1 se consignan los resultados obtenidos, este procedimiento nos conllevo a el grupo A1 [2] de la tabla de clasificación por la solubilidad de los compuestos, este grupo comprende compuestos que: 1) Contienen solamente carbono, Hidrogeno, y oxigeno: Ácidos y Anhídridos, 2) Contienen Nitrógeno, 3) Contienen Halógenos, 4) Contienen Azufre, 5) Contiene Nitrógeno y Azufre, 6) Contienen Azufre y Halógenos,con este datos obtenido era necesario verificar si el compuesto en realidad era orgánico ya que la prueba de solubilidad no es suficiente garantía para poder afirmar esto, por lo que se procedió a realizar la prueba de Dumas, esta prueba se fundamenta en una oxidación que se lleva a cabo por la presencia de un agente oxidante siendo el más común el oxido cúprico, para la producción de CO2 y agua. Se tomo una cantidad de muestra problemay se homogenizo con un mortero con CuO en una relación de1:1, en el tubo de ensayo se colocó una mota de algodón impregnado de CuSO4 anhidro en el desprendimiento del tubo de ensayo esto se realiza para poder determinar la presencia de agua como producto secundario de la reacción, además se adecuo el sistema para que el gas carbónico producido sea llevado a una solución de hidróxido de calcio.(Ver figura 1) Figura 1. Montaje experimental de la prueba de Dumas. Se Inicio el calentamiento del tubo de ensayo con el mechero, iniciando la reacción, se observo la producción de CO2 y la coloración de la mota de algodón de incoloro a azul, esto es debido a la coordinación de el agua producida con el centro metálico cobre, el gas se llevo a la solución de Ca(OH)2 gracias a una manguera de goma formándose una solución turbia de coloración blanca, resultando positivo para esta prueba, las reacciones en general se presentan en la figura 2. Figura 2. Reacciones producidas en la prueba de Dumas. Con la prueba de solubilidad y la prueba de dumas pudimos asegurar que nuestra muestra problema es orgánica.Basados en el grupo A1, parala detección de Azufre, Nitrógeno, Halógenos, y fosforo es necesaria la ionización de estos elementos puesto que las pruebas puede ser
  • 4. Identificación de una muestra desconocida (muestra solida #5) aplicadas cuando exhiben esta propiedad. La prueba de fusión con sodio consistió en generar una solución madre translucida en donde se supone la existencia de iones de los elementos químicos anteriormente enunciados, la fusión de sodio (ver figura 3) consistió en hacer reaccionar la muestra problema con una perla de sodio metálico que se llevo a punto de fusión (98°C)para posteriormente adicionar la muestra problema y llevarse a calentamiento fuerte con la ayuda del mechero. Figura 3. Prueba de fusión con Sodio metálico En esta parte del procedimiento la reacciones posibles si existiera alguno de los átomos nombrados anteriormente (N, X, S, P) las reacciones que ocurrirían se presentan en la figura 4. Figura 4. Reacciones de los átomos con el sodio. Después del calentamiento se llevo a disolución con agua lo que garantizaba la solubilidad de los supuestos iones (ver figura 4) en el solvente, y se filtro obteniendo una solución translucida. El paso posterior consistió en hacer reacciones químicas para determinar la presencia de los elementos químicos ya nombrados, como se observa en la tabla 1 para todos resultaron negativos. Algo interesante que podemos resaltar en aplicación de este método es que cuando se realizo la prueba para la determinación de Nitrógeno, a partir de la solución madre obtenida de la fusión de sodio, se obtuvo un precipitado de color verde lo cual se podría interpretar de manera equivocada, en la literatura se encontró que si se presenta este tipo de fenómenos para la determinación de Nitrógeno tal vez exista la presencia de este pero que no es suficiente garantía para poder concluir un resultado positivo [3] , debido a ello se repitió nuevamente el procedimiento y esta vez se obtuvo una respuesta más clara.Negativo para nitrógeno. También debemos resaltar que en el procedimiento de la prueba de fusión con sodio, que se realizo 3 veces para obtener una respuesta más acertada, se vario la cantidad de la glucosa, primero se tomo en una relación 1 de muestra y 2 de glucosa (1:2) lo que se buscaba era ayudar a la reducción de los compuestos posibles de nitrógeno y azufre, pero también se tomo una relación (1:1) y al final no se adicionó glucosa, en las tres formas se obtuvieron las mismas respuestas debido a que no existía la presencia de Azufre y Nitrógeno, de aquí no se puede concluir que la glucosa no es un agente importante, lo que sí se puede concluir es que si hay existencia de solo y únicamente de carbono he hidrogeno la glucosa no afectara en nada los resultados finales.
  • 5. Identificación de una muestra desconocida (muestra solida #5) El observar que no teníamos un átomo diferente al de Carbono e hidrogeno, empezamos a hacer deducciones sobre las características de la muestra problema, primero concluimos que con las pruebas realizadas podríamos garantizar que nuestra muestra solo contenía Carbono e Hidrogeno y que la tabla A1se reducía solamente al grupo compuesto que contiene solamente carbono, hidrogeno y oxigeno, este grupo comprendía a ácidos carboxílicos y Anhídridos. A menudo los anhídridos de identifican por la referencia a las anilidas que forman cuando se les trata con anilina[4] .Setomo unas gotas de anilina y se mezclaron con unos cuantos miligramos de muestra problema, y no hubo ningún cambio físico o químico, por lo que se descarto que fuese un anhídrido nuestra muestra.Por tanto el único grupo faltante para ser analizado era los compuestos de ácidos carboxílicos, para el estudio de este grupo funcional se tomó como referencia el procedimiento de la página 68 de la guía de laboratorio, en donde el resultado obtenido fue positivo (ver tabla 1), Se tomo unas alícuotas de NaHCO3 al 10% y se hicieron reaccionar con unos pequeños cristales de la muestra problema obtuvimos un burbujeo (CO2), la reacción que se presento se muestra en la figura 4.Se repitió nuevamente el procedimiento con bicarbonato de sodio y se obtuvo el mismo resultado anterior, Figura 4. Reacción entre un acido carboxílico y bicarbonato de sodio al 10% Para evitar confusiones y así lograr un mejor resultado en nuestra identificación se decidió comprobar que nuestro compuesto no se tratara de algún aldehído o alguna cetona debido al grupo carbonilo que presentan en común estas especies químicas, por lo que se realizaron las pruebas que se ven en la tabla 1. Queremos enfatizar un poco sobre la solubilidad presentada de la muestra problema, si se observa la tabla 1 se presento solubilidad en NaOH lo que según la literatura es una poderosa indicación de un grupo funcional ácido [5] . Hasta este punto ya sabíamos que nuestro compuesto se trataba de un acido carboxílico y la pregunta que surgió fue ¿cuál es el acido carboxílico? En otras palabras cual es el sustituyente R del acido carboxílico que poseíamos, en algunas ocasiones pueden hacerse ciertas deducciones acerca del peso molecular, por ejemplo en muchas series homologas de compuestos mono funcionales, los miembros con menos de cinco átomos de carbono son solubles en agua mientras que los homólogos superiores son insolubles [5] , lo que nos dio una idea acerca de nuestro compuesto, por ser este insoluble en agua a temperatura ambiente, nuestro compuesto poseía más de 5 átomos de carbono, la toma del punto de fusión a través del fusiómetro, el cual fue programado con una rampa de 2 °C/min, el resultado fue de 122,1°C-125,1°C, con base a estos dos parámetros se busco en la tabla de de puntos de fusión de ácidos carboxílicos y se encontró que el ácido benzoico se asemejaba a las características que exigía los dos parámetros, primero el acido benzoico poseía más de 5 carbonos y segundo el
  • 6. Identificación de una muestra desconocida (muestra solida #5) punto de fusión estaba en el rango obtenido (122°C), pero aparte de esto se realizaron pruebas comparativas, entre acido benzoico y nuestra muestra, se tomaron unos cuantos mg de ambos en las mismas cantidades y se intentaron solubilizar en agua a temperatura ambiente, y ambos fueron insolubles, después con la ayuda de un baño maría se aumento la temperatura y se observo que solubilizaron ambos muestras, y luego se enfriaron y estas precipitaron, la insolubilidad del acido benzoico en agua fría o temperatura ambiente se debe a que la molécula tiene un importante carácter hidrocarbonado, a pesar de la presencia de una función de ácido carboxílico, polar. Sin embargo al aumentar la temperatura el acido benzoico es razonablemente soluble. A temperaturas bajas la estructura del agua es demasiado estable y ordenada para ser interrumpida por el ácido benzoico. A temperaturas más elevadas la estructura del agua se encuentra teóricamente más desordenada por lo que al acido benzoico no le resulta tan costoso energéticamente introducirse en ella por el grupo carboxilo presente en el ácido. Se realizo también una prueba de sublimación de nuestra muestra comparándola con la sublimación del acido benzoico, y se obtuvieron unos cristales tipo aguja en ambos montajes, lo que confirma que en realidad nuestra muestra se trata de acido benzoico. Para la preparación de los derivados optamos la preparación de el cloruro de acilo, y posteriormente la transformación en una amida, para la formación de el cloruro de acilo siguió la guía en donde las cantidades utilizadas eran en mg de muestra problema y unas cuantas gotas de DMF (N,N- dimetilformamida) que sirvió como solvente de reacción, y unas cuantas gotas de SOCl2 Cloruro de tionilo, el montaje de la reacción consistió en un reflujo que duro durante 15 min (ver figura 5), la temperatura apropiada no debía superar el menor punto de ebullición de los reactivos y la especie que presento menor punto de fusión fue el Cloruro de tionilo (74,6°C) por lo que la temperatura no sobre paso los 72°C. Figura 5.Montaje de un reflujo, la reacción se realizo en la campana de extracción debido a la formación de SO2
  • 7. Identificación de una muestra desconocida (muestra solida #5) Figura 6. Mecanismo de reacción para la formación de cloruro de bencilo En la figura 6 se observa paso a paso el mecanismo de reacción para la síntesis de cloruro de bencilo, el primer paso de la reacción consiste en el ataque nucleofílico del hidroxilo al cloruro de tionilo, en el siguiente paso se da un reordenamiento de cargas de las especie formada, lo cual se logra a través de una eliminación, el mejor grupo saliente en este caso es el ion cloruro, el siguiente paso consiste en balancear la carga positiva del oxigeno, lo cual se logra gracias a una base, en este caso el DMF, en el paso siguiente el contra ion Cl- ataca al grupo carbonilo y se enlaza, generando así una carga negativa sobre el oxigeno que se estabilizara gracias a la eliminación (E2) de SO2.
  • 8. Identificación de una muestra desconocida (muestra solida #5) Figura 7. Amonólis del cloruro de bencilo, por cada mol de cloruro de bencilo reaccionan dos de amoniaco. En la figura 7 se representa el mecanismo de reacción para la amonolisis del cloruro de bencilo formado anteriormente. En una primera etapa se da la adición nucleofílica del amoniaco al carbonilo, el paso siguiente requiere el balanceo de cargas por lo que se da una eliminación de uno de los mejores grupos salientes presentes en la reacción (Cl- ), la eliminación del protónde el nitrógeno pude ayudar también a que las cargas sean compensadas, al final ya se obtendrá la benzamida, y la formación de cloruro de amonio. En nuestra experimentación obtuvimos un precipitado blanco el cual garantizo una respuesta positiva tanto para el cloruro de bencilo, ya que se tenía en solución, y para la formación de la amida, el paso siguiente consistió en la separación del compuesto obtenido, en la figura 8 se resume los procedimientos seguidos para la separación de nuestro derivado. Se inicio con la separación adicionando unas gotas de solvente orgánico (CH2Cl2) y solubilizando la amida, lo que genero dos capas una acuosa donde se encontraba el cloruro de amonio y otra orgánica, se realizaron lavados a la fase acuosa con solvente orgánico para poder extraer lo máximo posible de nuestro analito, aunque cabe resaltar que en este tipo de extracciones (liquido-liquido) nunca se va a poder extraer el 100 % del analito.
  • 9. Identificación de una muestra desconocida (muestra solida #5) Figura 8. Diagrama de flujo para la separación de la amida, se trata de una separación liquido-liquido Posteriormente se llevo a la cristalización por eliminación del solvente en un baño maría, ya obtenidos los cristales se llevaron a él fusiómetro el cual reporto un punto de fusión de 123 °C, al compararlo con el teórico la benzamida tiene un punto de fusión de 128°C, cercano al tomado por nosotros, cabe resaltar que los cristales estaban impuros, y ya es sabido que por propiedades coligativas este pudo disminuir. Conclusiones La muestra problema se trato de acido benzoico, para su determinación se siguieron unas parámetros ya establecidos, lo que generaron un orden y una eficiencia mayor en la identificación de nuestro compuesto En la prueba de fusión con Sodio se puede afirmar que la adición de glucosa permite la reducción de compuestos Nitrogenados o azufrados si estos existieran, en nuestro caso la glucosa no afecto el procedimiento ya que se vario la relación muestra: glucosa y siempre se obtuvo la misma respuesta, esto se debe a que nuestra muestra solo contenía carbono he hidrogeno. Es necesario hacer una repetición de algunas pruebas para evitar interpretaciones erradas, en nuestro caso la solución verdosa obtenida en la prueba de determinación de nitrógeno por solución madre de fusión con sodio pudo haberse interpretado como positiva. Las propiedades físicas de la muestra como la solubilidad fue una de las principales herramientas para la identificación de la muestra ya que con esta, se puede saber cuál es la naturaleza de la muestra
  • 10. Identificación de una muestra desconocida (muestra solida #5) Bibliografía [1] Smith, Jr; Cristol S.J, Química Orgánica Editorial Reverté S.A. 1970 San Martín Barcelona España, pág. 11. [2] Cabezas F; Benítez R; Paz G. Análisis Orgánico Cualitativo procesos a micro escala, 2da Ed, Editorial Universidad del Cauca, Popayán Colombia 2013. Pág. 43 [3] AnalisisOrganicoClasi y espectroscópico, cali valle colombia, Universidad del valle [4] Shriner L; Fuson R; Curtin D. Identificación sistemática de compuestos Orgánicos, Editorial Limusa, México D.F, 1991, pág. 253. [5] Shriner L; Fuson R; Curtin D. Identificación sistemática de compuestos Orgánicos, Editorial Limusa, México D.F, 1991, pág. 81.