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“UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA” FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y METALURGIA ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

QUÍMICA ORGÁNICA I (QU-144)

PROFESOR DE TEORIA:

Ing. Alcira Irene Córdova Miranda

PROFESOR DE PRÁCTICA:

Ing. Alcira Irene Córdova Miranda

ALUMNOS:   

Quispe Coronado, Dino Ccerhuayo Anampa, Carlos Frank Condori Quispe, Reyder Samuel

DIA DE PRÁCTICA:

Miércoles

HORA: 10.00 – 1.00 pm

FECHA DE REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA: 10 / 10 / 17 FECHA DE ENTREGA DEL INFORME: 17 / 10 / 17

AYACUCHO – PERÚ 2017

DETERMINACIÓN DE CONSTANTES FÍSICAS

I.    

II.

OBJETIVOS Conocer las técnicas para la determinación de ciertas constantes fiscas: punto de fusión de ebullición. Determinar el grado de pureza de una sustancias mediante las constantes físicas Identificar sustancias mediante el uso de constantes físicas. Comprender la utilidad de las constantes físicas y sus diversas aplicaciones. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA CONSTANTES FÍSICAS: PUNTOS DE FUSIÓN Y EBULLICIÓN

Una especie Química es una sustancia formada por moléculas iguales (Químicamente homogénea). Cada especie química o sustancia pura posee un conjunto de propiedades físicas y químicas propias, mediante las cuales puede caracterizarse o identificarse (Criterio de Identidad) o conocer su grado de pureza (Criterio de Pureza). La identificación de un compuesto consiste en probar que este es idéntico a otro ya conocido y descrito. La pureza e identidad de un compuesto cualquiera queda establecida cuando estas propiedades físicas y químicas son idénticas a las registradas para este compuesto en la literatura química. Estas propiedades también nos permiten seguir y controlar los procesos de purificación (como cristalización, destilación, sublimación etc.) para determinar su eficacia o indicarnos cuando la muestra está pura y es innecesario continuar su purificación. El punto de fusión (para los sólidos) y el punto de ebullición (para los líquidos), son propiedades que pueden ser determinadas con facilidad, rapidez y precisión, siendo las constantes físicas mas usadas, por lo que constituyen determinaciones rutinarias en el laboratorio de Química Orgánica. PUNTO DE FUSIÓN Esta constante puede determinarse introduciendo una diminuta cantidad de sustancia dentro de un pequeño tubo capilar, e introduciendo este junto con un termómetro en un baño, calentando lenta y progresivamente y observando la temperatura a la cual empieza (temperatura inicial) y termina (temperatura final)

la fusión. A la diferencia entre ambas (temperatura final – temperatura inicial) se le conoce como RANGO DE FUSIÓN.

Desde el punto de vista práctico, el punto de fusión (o el de solidificación) se define como la temperatura a la que un sólido se transforma en líquido a la presión de 1 atmósfera. La temperatura a la que un sólido comienza a fundir debe permanecer constante hasta que todo el sólido y el estado líquido de la sustancia están en equilibrio, una en presencia de la otra. En la práctica existen 2 dificultades para la determinación del punto de fusión. Es difícil mantener la temperatura constante, aun utilizando pequeñas cantidades de muestra. Si medimos la temperatura externamente a la muestra, la temperatura varía muy poco. Pueden originarse errores en la determinación por la sobre calefacción o por el sub-enfriamiento de la sustancia. Por ello, en vez de obtener una temperatura constante, habrá siempre una pequeña diferencia de temperaturas entre el comienzo y el final de la fusión. A este intervalo de temperaturas se le llama también punto de fusión. En condiciones de equilibrio (sin sobre enfriamiento) la temperatura laque un sólido puro funde es igual a la temperatura en que el compuesto fundido solidificada o congela. En una sustancia pura el cambio de estado es generalmente muy rápido, por lo que el Rango de fusión es pequeño (generalmente menor de 1ºC) y la temperatura de fusión es característica. El punto de fusión sufre cambios pequeños (casi siempre imperceptibles) por un cambio moderado de la presión atmosférica; en cambio, se altera notablemente por la presencia de impurezas (para que las impurezas afecten el Punto de fusión, es necesario que estas sean por lo menos algo solubles en el líquido fundido. En la práctica esto ocurre casi siempre). La presencia de impurezas, por lo general, amplia el rango de fusión, de tal manera que un compuesto impuro funde en un intervalo de temperaturas mayor (varios grados) y lo hace a una temperatura inferior a la del compuesto puro. Por ello la utilización de esta constante como criterio de pureza y de identidad. PUNTO DE EBULLICIÓN Máxima temperatura a la que una sustancia puede presentarse en fase líquida a una presión dada. El punto de ebullición se define como la temperatura igual al de la presión externa o atmosférica. De esta definición se puede deducir que la temperatura de ebullición de un líquido varía con la presión atmosférica.

Todo aumento de temperatura que reproduzca en la masa de un líquido, produce un aumento en la energía cinética de sus moléculas y por lo tanto en su Presión de vapor, la que puede definirse como la tendencia de las moléculas a salir de la superficie del líquido y pasar al estado de vapor. Esa tendencia a vaporizarse o presión de vapor, es típica de cada líquido y solo depende de la temperatura; al aumentar esta también aumenta la presión de vapor. También puede definirse como la temperatura a la que las fases líquidas y gaseosas de una sustancia están en equilibrio. El punto de ebullición de una sustancia depende de la masa de sus moléculas y de la intensidad de las fuerzas atractivas entre ellas. En una serie homóloga dada, los puntos de ebullición de cada compuesto aumentarán al aumentar el peso molecular. Los líquidos polares tienen mayores puntos de ebullición que los no polares del mismo peso molecular; mientras que los polares y asociados (por enlace hidrógeno) generalmente tienen punto de ebullición más elevados que los polares no asociados. Además implica la separación de moléculas individuales o pares de iones con carga opuesta, de seno del líquido, esto sucede cuando alcanza una temperatura suficiente para que la energía térmica de las partículas supere las fuerzas de cohesión que las mantiene en el estado líquido

Equipo de determinación del punto de ebullición.

III.

MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS EMPLEADOS MATERIALES Y EQUIPOS

    

Mechero de Busen Termómetro Tubo de thiele Baño Aparato de Kofler

REACTIVOS      

Benzofenona C13H10O Glicerol C3H8O3 Naftaleno C10H8 Metanol CH3OH Benceno C6H6 Propanol C3H8O

  

IV.

Tubo de ensayo Luna de reloj Arandela o anillo de goma

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

DETERMINACIÓN DE CONSTANTES FÍSICAS Una especie química, es una sustancia formada por moléculas iguales (químicamente homogénea). Cada especia química o sustancia pura posee un conjunto de propiedades físicas y químicas propias, mediante las cuales puede ser caracterizada o identificada o pude conocerse su grado de pureza. Punto de ebullición, rotación especifica solubilidad, índice de refracción, espectro de absorción etcétera estas propiedades de llaman ´´constante físicas ´´porque son propiedades físicas prácticamente invariables y característica de cada sustancia. Punto de fusión (para solidos) y el punto de ebullición (para líquidos) son propiedades que pueden ser determinadas con facilidad, rapidez y precisión. ENSAYO N°1: PUNTO DE FUSIÓN (pf) El punto de fusión es la temperatura a las que el sólido y el líquido están en equilibrio, a la presión de una atmosfera. El rango de fusión de los compuestos puros es generalmente menor que 1°C. Las impurezas hacen descender el p.f. El punto de fusión se anota: p.f. °C, ejemplos p.f. 98°C. También se usa M.p., que son iniciales de melting point. La presión no tiene un efecto apreciable sobre p.f. las lecturas se efectúan de la siguiente manera: Cuando se notan pequeñas ranuras transparentes en la sustancia a fundir, se anota como T1, y cuando la sustancia queda totalmente transparente (fundida) se anota T2. El p.f. esta dado por la media aritmética, la suma de las dos temperaturas: 𝑝. 𝑓. =

𝑇1 + 𝑇2 2

Para determinar el p.f. es conveniente que la sustancia problema se encuentre: a) Esto se logra con recristalizaciones sucesivas b) Anhidra: Se debe eliminar la humedad porque el agua actúa como impureza c) Finamente dividida: para que el calor se difunda en forma homogénea A. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Método de Thiele

Preparación de la muestra. Sujetar el tubo capilar con un dedo índice y pulgar y acercar un extremo al mechero de bunsen, calentándolo suavemente y haciéndolo girar continuamente hasta que el extremo se cierre. La sustancia seca y finamente pulverizada poner sobre la luna de reloj, tomar un capilar y con el extremo abierto presionar sobre la sustancia, parte de esta se adhiere e a la boca de capilar, luego efectuar golpes secos sobre la mesa, para conseguir que la muestra se deposite en el fondo. Repetir esta operación varias veces hasta acumular t3 – 5 mm de altura de muestra. El capilar cargado sujetar a un termómetro empleando una arandela de goma; la parte de capilar que contiene la sustancia debe quedar a la altura del bulbo del termómetro. Introducir el termómetro con el capilar en el tubo de thiele, que contiene el baño de correspondiente. La muestra para esta determinación es la benzofenona. Determinación del punto de fusión p.f. El nivel del líquido usado como baño debe estar un centímetro por encima del tubo lateral colocar el termómetro con el capilar cargado de tal modo que el bulbo este sumergido en el baño. Sujetar el termómetro de modo que este en forma vertical y no toque las paredes del tubo (figura1). El calentamiento hacerlo en el brazo lateral, así se genera una corriente de convección que homogeniza la temperatura del baño. Método de kofler El aparato de kofler consiste en una plancha metálica que en la superficie posee una aleación de cromo – plata de una longitud aproximadamente de 36 m y 4 cm de ancho, calentado eléctricamente por uno de sus extremos, dividiendo el otro extremo permanecer sobrecalentando . Para ello se requiere de una moderada y constante gradiente de temperatura. Las fluctuaciones de voltaje mayores son compensadas por un estabilizador interno en el extremo de mayor calentamiento, lado externo existe una temperatura y definida. La graduación cubre rangos de 50 a 260 °C en escalas de 10°C subdivididos en 2 °C. Antes de hacer una lectura el aparato debe calentarse por lo menos media hora antes y debe calibrarse con sustancia a de punto de fusión conocidos. Para hacer una determinación, se coloca una pequeña cantidad de muestra en el extremo derecho (zona de menor temperatura) y es desplazada suavemente hacia el extremo izquierdo (zona de mayor temperatura) hasta que se produzca la fusión de muestra y se hace la lectura correspondiente. Las muestras para determinación del punto de fusión en el kofler:   

Benzofenona Acido Benzoico Naftaleno

ENSAYO N° 2: PUNTO DE EBULLICIÓN (p.b.) El punto de ebullición es la temperatura en el cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión atmosférica. También se define la temperatura a la que las fases liquidas y gaseosas de una sustancia están en equilibrio. La temperatura de ebullición de un líquido varía con la presión atmosférica y vari de un lugar a otro, a mayor presión, mayor punto de ebullición y viceversa. A raíz de la notable influencia que tiene la presión sobre la temperatura de ebullición, se corrige el punto de ebullición mediante la siguiente formula.

p.e. corregido = p.e. +/- (760 – P actual) 0.04 0.04 = factor de corrección que se establece variación de temperatura por c/mm de presión elm p.e. de una sustancia, también depende de peso molecular, disposision estructural de la cadena carbonada, polaridad de los compuesto e impurezas.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Método semimicro de siwoloboff Este método permite la determinación de p.e. con solo algunas gotas del líquido. En un tubo de 5 cm de largo y 0.5 mm de diámetro se colocan 2 o 3 gotas del líquido en estudio y allí se introduce un capilar previamente cerrado (la parte abierta debe estar hacia abajo y la cerrada hacia arriba). Esto se sujeta a un termómetro y se introduce todo un baño (se puede utilizar el thiele). Se calienta y antes de alcanzar el p.e. el líquido se desprenden de la base del capilar pequeñas y aisladas burbujas de aire, cunado las burbujas salen en forma continua se lee la temperatura. El p.e. esta dado por el término medio de dos a tres lecturas. Las muestras para la determinación del p.e. son:   

Metanol Benceno 1 – propanol

V.

OBSERVACIONES, DATOS RESULTADOS EXPERIMENTALES OBTENIDOS, ECUACIONES QUÍMICAS, CÁLCULOS Y/O GRÁFICAS (SEGÚN LOS CASOS)

ENSAYO N°1: PUNTO DE FUSIÓN (pf) A. Método de thiele Muestra: Benzofenona Cálculos: T1 = 48°C

Muestra el equipo para determinar el punto fusión de la muestra de Benzofenona.

T2 = 51°C

Calculando promedio:

Pf =

48°C+51°C 2

= 49,5°C

B. Método de Kofler

Muestra: Benzofenona. T1 = 45°C

45°C+52°C

pf =

= 48,5°C

2

T2 = 52°C Naftaleno T1 = 82°C

pf =

82°C+90°C 2

= 86°C

T2 = 90°C Acido benzoico T1 = 76°C

pf =

76°C+86°C 2

= 81°C

Aparato de Kofler en la cual lo determinamos el punto de fusión de las sustancias respectivas.

T2 = 86 °C

ENSAYO N° 2: PUNTO DE EBULLICIÓN (p.b.) A. Método semimicro de Siwoloboff Muestra: Metanol. T1 = 45°C

Muestra del equipo instalado para determinar el punto de ebullición del metanol.

T2 = 52°C T3 = 60°C

Benceno:

1-propanol:

T1 = 56°C

T1 = 80°C

T2 = 61°C

T2 = 91°C

T3 = 69°C

T3 = 95°C

PRECAUSIONES: 1. Evitar que la banda o anillo de goma, que sujeta al termómetro al capilar o al tubo de ensayo, este en contacto con el baño de calentamiento. 2. En la determinación de p.f. y p.e. el calentamiento debe ser lento, la temperatura debe ascender lentamente (2 °C por minuto). CUESTIONARIO: 1. ¿Cuál es la principal utilidad de los puntos de fusión y ebullición en química orgánica? Los puntos de fusión y ebullición de un compuesto orgánico son constantes físicas de gran valor. Generalmente pueden determinarse con facilidad, rapidez y precisión, siendo un dato de considerable utilidad para reconocer la identidad de un compuesto o para el establecimiento de su estructura. Los compuestos orgánicos puros funden generalmente en un intervalo de temperatura muy pequeño; la presencia de impurezas amplia. 2. ¿A que se denomina rango de fusión?

Rango de fusión de una sustancia se define como el rango comprendido entre la temperatura en la cual la sustancia comienza a fluidificarse o a formar gotas en las paredes del tubo capilar y la temperatura en la cual la sustancia está completamente fundida. Una transición de fusión puede ser instantánea para un material altamente puro, pero por lo general se observa un intervalo desde el comienzo hasta el final del proceso. Hay distintos factores que influyen en esta transición y deben ser estandarizados cuando se describe el procedimiento. Estos factores incluyen: cantidad de la muestra, tamaño de partícula, eficiencia en la difusión del calor y la velocidad del calentamiento entre otros. Para los fines de esta farmacopea, el punto de fusión o rango de fusión se informa como la temperatura a la cual se observa la primera fase líquida y la temperatura a la cual no hay más fase sólida aparente, excepto aquellas sustancias que funden con descomposición o se especifique de otra manera en la monografía individual. http://www.anmat.gov.ar/webanmat/mercosur/ACTA0213/Anexo_02_Determinaci%F3n_del_punto_de_fus i%F3n_ver_13.pdf

3. Que factores influyen en la determinación del punto de ebullición?  La presión ambiente es uno de los factores más importantes que afectan el punto de ebullición de una sustancia.  Otro factor que afecta el punto de ebullición es la estructura molecular de la sustancia. Los enlaces más fuertes y más complejos que sostienen juntas las moléculas de la sustancia, mayor es la temperatura de ebullición de la sustancia, y viceversa  Una solución es el resultado de una sustancia (soluto) está disuelto en otra sustancia (disolvente). Si una sustancia tiene otras sustancias disueltas en ella, el punto de ebullición del disolvente será alterado mayor o menor, dependiendo del soluto. 4. Que factores influyen en la determinación del punto de fusión?  La pureza de una sustancia química influye de manera importante en el punto de fusión de una sustancia; el grado de impureza que esta tenga puede modificar el valor.  Otro aspecto importante que determina el punto de fusión en un sólido es la presión a la que efectúa el proceso de fusión.  Por último y más importante el tipo de interacciones que existen entre las moléculas del sólido y la fuerza de estas interacciones determinan el punto de fusión. 5. Que es el índice de refracción y que utilidad práctica tiene? El índice de refracción (n) está definido como el cociente de la velocidad (c) de un fenómeno ondulatorio como luz o sonido en el de un medio de referencia respecto a la velocidad de fase (vp) en dicho medio: n=C/Vp Generalmente se utiliza la velocidad de la luz en el vacío (c) como medio de referencia para cualquier materia, aunque durante la historia se han utilizado

otras referencias, como la velocidad de la luz en el aire. En el caso de la luz, es igual a: 𝑛 = √𝜺𝒓. 𝝁𝒓 Donde εr es la permisividad relativa del material, y μr es su permeabilidad electromagnética relativa. Para la mayoría de los materiales, μr es muy cercano a 1 en frecuencias ópticas, es decir, luz visible. Material

Índice de refracción

Vacío

1

Aire (*)

1,0002926

Agua

1,3330

Acetaldehído

1,35

Solución de azúcar (30%)

1,38

1-butanol (a 20 °C)

1,399

Glicerina

1,473

Heptanol (a 25 °C)

1,423

Solución de azúcar (80%)

1,52

6. Mencione y explique brevemente otros métodos para la determinación del punto de fusión? Método 1 Para muestras que no se reducen fácilmente a polvo Procedimiento Fundir cuidadosamente la muestra a la temperatura más baja posible e introducir el material fundido en un capilar abierto en ambos extremos, hasta formar una columna de unos 10 mm de altura. Enfriar el capilar cargado a una temperatura menor o igual a 10 ºC durante aproximadamente 24 horas. Unir el capilar al termómetro y ajustar su

altura, de modo que la muestra contenida en el capilar quede junto al bulbo del termómetro. Introducir en un baño de agua y calentar según se indica en Método 1, excepto que al llegar a una temperatura aproximadamente de 5 ºC por debajo del punto de fusión esperado, se aumenta la temperatura a una velocidad de 0,5 °C por minuto. Se toma como punto de fusión la temperatura a la cual la muestra comienza a ascender dentro del tubo capilar. Realizar la determinación al menos por triplicado utilizando porciones diferentes de muestra. Método 3 Para vaselina, sustancias grasas u otras de consistencia pastosa. Procedimiento Fundir la muestra, agitando hasta alcanzar una temperatura de 90 a 92 ºC y luego dejar enfriar la sustancia fundida hasta una temperatura de 8 a 10 ºC sobre el punto de fusión esperado. Enfriar hasta 5 ºC el bulbo del termómetro, secar y, mientras esté aún frío, sumergirlo en la muestra fundida hasta la mitad del bulbo aproximadamente. Retirar inmediatamente y sostener en posición vertical, hasta que la superficie de la muestra depositada sobre el bulbo solidifique. Introducir en un baño de agua a una temperatura que no exceda los 16 ºC durante 5 minutos aproximadamente. Adaptar el termómetro dentro de un tubo de ensayo, por medio de un tapón perforado, de modo que su extremo inferior quede 15 mm por encima del fondo del tubo. Suspender el tubo de ensayo en un baño de agua a una temperatura de 16 ºC y elevar la temperatura del baño hasta 30 ºC, a una velocidad de 2 ºC por minuto, y luego a una velocidad de 1 ºC por minuto hasta que la primera gota se desprenda del termómetro. La temperatura a la cual esto sucede es el punto de fusión. Para cada determinación emplear una porción recién fundida de la muestra. Realizar la determinación por triplicado. Si la máxima diferencia entre las determinaciones es menor de 1 ºC, promediar los valores obtenidos. De lo contrario, realizar dos determinaciones adicionales y promediar los cinco. 7. Mencione y explique brevemente otros métodos para la determinación del punto de ebullición? Destilación simple. 1.-Montar un aparato de destilación simple de acuerdo con el esquema. 2.-Colocar 25ml de metanol en un matraz de 50ml. 3.-Agregar 3 cuerpos de ebullición. 4.-Iniciar lentamente el calentamiento con el mechero, vigilando la temperatura para saber en qué momento se mantiene constante. 5.-Recoger las fracciones que se destilaron a manera constante (no mezclarlas).

6.-Desechar aquellas que destilan cuando la temperatura va en ascenso. 7.-Al terminar de destilar una fracción es posible observar una caída de la temperatura por unos momentos, pero al empezar a pasar la siguiente fracción la temperatura vuelve a ascender.

Fig. (Destilación simple)

BIBLIOGRAFIA

  

http://www.anmat.gov.ar/webanmat/mercosur/ACTA0213/Anexo_02_Det erminaci%F3n_del_punto_de_fusi%F3n_ver_13.pdf Raymond Serway & Jewett J (2003). Physics for scientists and engineers (6th ed.). T. A GEISMAN -Principios de química orgánica -2da edición