CAPÍTULO II Diseño teórico del laboratorio virtual
2.6 Etapa # 5: Análisis instrumental y respuesta final
De esta última fase sale la respuesta al problema. Para su completa solución la simulación permite el apoyo en cierto número de herramientas (equivalentes de neutralización, espectroscopia IR, espectroscopia de masa y análisis de temperaturas de fusión de derivados).
Espectros Infrarrojo.
La espectroscopia infrarroja es una herramienta ampliamente utilizada para la identificación de compuestos orgánicos ya que dos moléculas orgánicas diferentes nunca tienen espectros IR iguales (a excepción de los isómeros ópticos).
Esta técnica es muy útil para detectar la presencia en un compuesto de grupos funcionales ya que ciertas agrupaciones atómicas dan lugar a bandas de absorción características en un determinado rango de frecuencia brindando una importante información estructural con la simple apreciación del espectro. [18] En esta etapa de la simulación el estudiante tiene la posibilidad de observar el espectro IR de la sustancia elegida y cuenta con una ayuda adicional de dos tablas que le permiten reconocer las frecuencias de absorción características de algunos de los grupos funcionales más comunes y el tipo de sustitución en el caso de sustancias aromáticas.
Conclusiones que pueden obtenerse de los espectros:
Con el análisis de los espectros el usuario obtiene información adicional del tipo de sustancia a la que se enfrenta, confirma la existencia de los grupos funcionales reportados en los ensayos anteriores y determina el tipo de sustitución aromática de la muestra problema.
Como apoyo al usuario el software ofrece una tabla con la absorción de algunos de los grupos funcionales más representativos(ver anexo #5.1)
Espectros de masa
Al someter un compuesto a análisis mediante la espectrometría de masas obtenemos un espectro de masas que permite conocer la abundancia relativa de los iones formados con diferentes relaciones masa/carga. Este espectro es característico de cada compuesto y con frecuencia su análisis permite identificar la muestra, bien por comparación con los espectros de compuestos conocidos como por inferencia de la estructura del nuevo compuesto.
En esta etapa, en la simulación se presentan los espectros de masa de los compuestos del banco de sustancias y el estudiante puede obtener algunas conclusiones importantes para completar la identificación de la muestra estudiada.
Conclusiones que pueden obtenerse de los espectros:
• Ión molecular
Con el análisis del ión molecular (de fácil identificación por ser el de mayor relación masa/carga en el espectro, siempre y cuando dicho ión sea lo suficientemente estable como para ser detectado) el estudiante puede determinar con exactitud la masa molecular relativa del compuesto, por otro lado, es conocido que si este ión tiene masa par, el compuesto no contiene nitrógeno o posee un número par de átomos de nitrógeno.
• Iones isotópicos
El análisis de las intensidades de los picos isotópicos (que aparecen a M++1 y M++2 en el espectro de masas) es de vital importancia, ya que los iones formados por los diferentes isótopos de un elemento en un compuesto serán detectados como diferentes y sus intensidades dependerán de las abundancias naturales respectivas de los mismos.
En el caso de los M++1 tenemos los isótopos de 13C y 15N y podemos expresar la intensidad relativa del pico isotópico como la suma de las contribuciones debidas a los isótopos pesados del carbono y el nitrógeno:
I(M+1)+/ I(M)+x 100 = 1,1 C + 0,36 N
Donde C y N son el número de átomos de nitrógeno y carbono del compuesto (1,1 y 0,36 corresponden con la abundancia relativa de los isótopos de estos elementos).
En ausencia de cloro, bromo y azufre, las contribuciones principales a la intensidad del pico isotópico M++2 se deben a la posibilidad de que dos carbonos de la estructura correspondan a 13C y a la presencia del isótopo 18O, por tanto se puede expresar:
I(M+2)+/ I(M)+x 100 = (1,1C)2/200 + 0,2 O
Donde (1,1C)2/200 corresponde en % a la probabilidad de dos carbonos 13C y 0,2 O es la abundancia relativa del isótopo 18O multiplicada por el número de átomos de oxígeno.
La detección de cloro, bromo y azufre es sencilla debido a la elevada intensidad relativa del pico M++2 para compuestos con estos elementos.
En el caso del análisis de una sustancia de la que previamente se conoce que tiene halógenos Br o Cl, en su estructura se puede diferenciar dichos halógenos ya que las intensidades relativas de los picos M+ y M++2 están en relación 1:1 en el caso de sustancias bromadas y en relación 1:3 para sustancias con Cl. [19]
Equivalentes de neutralización.
Una de las maneras más sencillas para caracterizar una ácido o compuesto acídico es determinar su equivalente de neutralización. El equivalente de neutralización de un ácido o compuesto acídico es su peso equivalente y el peso molecular del mismo puede ser determinado multiplicando el equivalente por el número de grupos ácidos de la molécula.
En el laboratorio generalmente se pesa una determinada cantidad de la muestra ácida desconocida, se disuelve en agua o etanol y se valora con hidróxido de sodio utilizando la fenolftaleína como indicador para indicar el fin de la reacción. Equivalente de neutralización = (peso de la muestra) / (volumen de reactivo
Χ normalidad)
En el laboratorio
real
¿Como se observa en el programa?
Se pesan con precisión 200 mg del ácido y se disuelven en 50 ml de agua o etanol acuoso. Se observa inicialmente:
Una balanza analítica con el compuesto acídico contenido en un vidrio de reloj (se muestran 200 mg de sustancia pesada), un matraz aforado de 50 ml con etanol acuoso, un beaker vacío, un frasco con etiqueta donde se lee fenolftaleína, una bureta vacía y
un frasco con etiqueta donde se lee hidróxido de sodio 1M. Al dar un clic en disolver:
Se añaden el compuesto acídico, el etanol acuoso y la fenolftaleina al beaker. (Se observa un agitador mezclando las sustancias, se
observa que el sólido se disuelve). Se titula esta solución con solución patrón de hidróxido de sodio 0,1 mol/L empleando gotas de fenolftaleína como indicador.
Al dar un clic en cargar bureta:
Aparece el frasco con el hidróxido de sodio vertiéndose en la bureta con la ayuda de un pequeño embudo.
Al dar un clic en valorar:
Comienzan a caer gotas del hidróxido sobre el beaker (mientras se observa que el volumen de hidróxido en la bureta disminuye). Cuando se alcanza el punto de equivalencia la solución en el beaker cambia de color, las gotas dejan de caer y el estudiante
Derivados:
En un laboratorio de química orgánica los derivados de un compuesto desconocido se preparan fundamentalmente para comprobar completamente la identidad de este tomando como referencia un compuesto particular descrito en la literatura. Idealmente, deben ser perfectamente conocidos, sencillos y fáciles de preparar. En nuestra práctica virtual se incluyen los derivados como método de reafirmar la respuesta final dada por el estudiante.
¿Que se ve en el software?
En la simulación al usuario se le da un grupo de reactivos con el objetivo de que este seleccione con un clic el más idóneo para preparar su derivado.
De acuerdo a la muestra escogida el derivado ideal se prepararía con el siguiente reactivo:
Reactivo para el derivado derivado
Anilina Anilida
Cloruro de p-Tolueno sulfonilo p-Tolueno solfonamina
Cloruro de 3,5-dinitrobenzoilo 3,5-Dinitrobenzoato
2,4-Dinitrofenilhidrazina 2,4-Dinitrofenilhidrazona 1) KMnO4 2) anilina Anilida 1) Sn/HCl 2) cloruro de benzoilo p-Tolueno solfonamina
Cloruro de 3,5-dinitrobenzoilo 3,5-Dinitrobenzoato
1) NaOH (1N)
p-Tolueno solfonamina 2) Cloruro de p-Tolueno sulfonilo
Luego de seleccionado el derivado se le simula la medición de su temperatura de fusión observándose la muestra sometida al calor de un mechero y un termómetro, en donde la temperatura va en aumento hasta haber alcanzado el cambio de estado (con una simple comparación entre las temperatura marcada por los derivados y temperatura de fusión tabuladas en la literatura, el usuario puede confirmar si su respuesta fue la correcta).
Forma de evaluación de la fase.
En esta etapa se evalúa fundamentalmente la respuesta final dada por el estudiante, con el apoyo obtenido con los espectros y los equivalentes de neutralización (en el caso de las sustancias ácidas). El usuario no debe tener ningún problema para la identificación final de la muestra.
Se le dan al estudiante los nombres de todas las muestras contenidas en el banco y este dará un clic en la correcta (un clic incorrecto descuenta 5 ptos): El compuesto desconocido es:
• Ácido acético • Acetona
• Ácido benzoico • Acetofenona
• Ácido o-Clorobenzoico • Benzofenona • Ácido p-Bromobenzoico • Benzaldehido
• Dimetil amina • p-Nitrotolueno
• o-Nitroanilina • o-Bromonitrobenceno
• p-Bromoanilina • p-Cresol
• Alcohol etílico • m-Cresol
• Cicloexanol • L-alanina