Propiedades Físicas Sustancias Orgánicas

19  13  Descargar (0)

Texto completo

(1)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

1

PROPIEDADES FÍSICAS DE SUSTANCIAS ORGÁNICAS

OBJETIVOS

 Comparar el comportamiento al calor de sustancias alifáticas, aromáticas y iónicas.

 Comparar la solubilidad de sustancias polares, no polares e iónicas en diferentes solventes.

 Medir el punto de fusión y punto de ebullición de dos sustancias orgánicas y comparar el resultado con los datos reportados en la literatura.

EQUIPO

Beakers 100 mL y 250 mL

Termómetro de mercurio

Gotero Espátula

acanalada

Tubos de ensayo pequeños

Ligas de hule pequeñas

Tubos capilares Probeta de 100 mL

Mechero bunsen Erlenmeyer 125 mL y 250 mL

Tubo de Thiele Bomba de vacío

Condensador Balón de tres bocas

Mangueras Tapón para balón

Trampa para vacío

Bomba

recirculadora de agua

(2)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

2

REACTIVOS

Cloruro de sodio Ácido oxálico Etanol Hierro en polvo o virutas

Cloruro de hierro (III)

Glicerina Agua Ácido clorhídrico

1,0 mol/L

Glucosa Aceite de cocina Hexano Ácido benzoico

Naftaleno Bicarbonato de sodio

Hidróxido de sodio 1,0 mol/L

MARCO TEÓRICO

Así como las características físicas de una persona nos ayuda a identificarlas: color de ojos, estatura, color de piel, olor del perfume, etc. Así también ciertas características de las sustancias químicas nos sirven para identificarlas. No es que podamos decir qué color de ojos tiene el ácido benzoico o cual es la estatura del tolueno pero si podemos citar su olor (no huelan directamente cosas en el laboratorio), su color, su viscosidad aparente (si es tan viscoso como el agua o en cambio si es tan viscoso como la miel). Dado que los sentidos nos son limitados para poder identificar una sustancia química recurrimos a otras propiedades físicas de las mismas para poder identificarlas con mayor efectividad cuando están puras, dentro de estas características podemos citar algunas:

Caract eríst icas Tradicionales

(3)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

3

 Coeficiente de partición agua-octanol

 Índice de refracción

 Patrón de difracción de rayos X (caso de sólidos cristalinos)  Espectro infrarrojo

 Espectro de resonancia magnética nuclear  Espectro ultravioleta

 Rotación de luz polarizada

Estas características físicas son propiedades intrínsecas de las sustancias y se pueden considerar como una expresión macroscópica de algo que tiene sus raíces en el campo atómico y molecular: la estructura de las sustancias. La estructura de una sustancia define sus constantes físicas. Conociendo la estructura podemos predecir tendencias en las características físicas de una sustancia como su punto de ebullición o su solubilidad y hasta su reactividad. La estructura de una sustancia define el comportamiento de las fuerzas int ermoleculares de dicha sustancia y con ellas podemos predecir ciertos comportamientos físicos como el punto de ebullición, punto de fusión y solubilidad. Claro, si, también trabaja en el sentido inverso: conociendo algunas características físicas (o constantes físicas como se les llama también) podemos inferir algo respecto a la estructura de la sustancia.

(4)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

4

Ejemplo de tipos de enlace covalente y enlace iónico

Cada tipo de enlace entre átomos dentro de una sustancia tiene una fuerza asociada a ese enlace. Los enlaces iónicos suelen ser muy fuertes debido a la atracción electrostática entre los iones. Los enlaces covalentes no se quedan atrás en fuerza, requieren de bastante energía para separarlos pero su fuerza radica en términos mecánico-cuánticos: los electrones están habitando orbitales compartidos que cumplen con la regla de llenar la capa de valencia, esto confiere mucha estabilidad lo cual hace que se requiera energía para romper los enlaces. Dentro de los enlaces covalentes existen los enlaces covalentes polares y los no polares. Los covalentes polares son enlaces que presentan un dipolo permanente a lo largo del eje del enlace de los átomos involucrados en el enlace. Los enlaces covalentes no polares, no tienen este dipolo. Estas características en los enlaces influencian la forma en que las moléculas interactúan unas con otras. Si una molécula tiene un dipolo permanente, el extremo positivo del dipolo de una molécula puede interactuar con el extremo negativo del dipolo de otra molécula. Entre más intenso el dipolo más intensa la interacción entre las moléculas, por esta razón a estos efectos se les denominan: fuerzas intermoleculares (fuerzas entre moléculas).

Puntos de Fusión

No, fusión en este concepto no es fusionar dos núcleos atómicos y obtener una increíble cantidad de energía. Para efectos químicos, el punto de fusión es la

O O H Cl Na+ Cl

-Dipolo hacia el cloro

Enlace covalente

(5)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

5

temperatura a la cual una sustancia cambia de fase sólida a fase líquida. Las sustancias iónicas tienen puntos de fusión muy altos, una gran parte de ellos son solubles en agua pero insolubles en solventes orgánicos y muchos de ellos tienen colores variados. Por otro lado, las sustancias orgánicas tienen puntos de fusión bajos, siendo muchos de ellos son sólidos con bajos puntos de fusión, líquidos o gases a temperatura ambiente.

El punto de fusión de una sustancia orgánica puede ser usado para determinar la identidad de la misma y también para determinar su pureza y es aquí donde nos ponemos fisicoquímicos. Lo sé, esta es la parte divertida.

Supongamos que tenemos 2 sustancias A y B. Cuando cualquiera de estas sustancias está pura, el punto de fusión es el reportado para dicha sustancia y es un valor muy definido o bien un rango muy estrecho. Cuando la sustancia A tiene alguna contaminación de otra sustancia, en este caso, una sustancia B, el comportamiento de la mezcla es que el punto de fusión toma un rango de temperaturas más amplio. Analicemos.

Primero, fracción molar. Esto no es más que la composición de la fase en términos de Líquidos Ambas

Sustancias 1

2

4

L + S(B)

Sólidos Ambas Sustancias L+ S(A)

XA 1 0.8 0.6 0.5 0.4 0.2 0

XB 0 0.2 0.4 0.5 0.6 0.8 1

P. Eut (°C)

P. Fus B (°C)

3 P. Fus A

(6)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

6

las sustancias que la componen en términos de fracción. La forma en que se calcula esto es por medio de la siguiente relación.

Donde se refiere a la fracción molar de la sustancia , es la cantidad de moles de la sustancia y es la cantidad total de moles de todas las sustancias presentes en la fase. Si una sustancia cualquiera es pura entonces .

(7)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

7

mezcla de dos sólidos y las transformamos en líquidos.

Desde un enfoque termodinámico, un cambio de fase involucra un proceso en equilibrio en el que la t emperatura a la que se lleva a cabo el proceso viene dada por el cociente de la entalpía de fusión y la entropía de fusión.

Analizando esta relación podemos inferir que a mayor energía para separar las moléculas en el cristal del sólido, mayor la temperatura de fusión. Esto es intuitivo: más fuerza entre moléculas, mayor energía se necesita para separarlas. En el caso del cambio de entropía en el punto de fusión, la física involucrada se escapa de este curso aunque podemos agregar que los cambios de entropía en el cambio de sólido a líquido siempre son positivos (a excepción del Helio) y que el coeficiente de empaquetamiento, es decir, la relación de cuantas moléculas hay y cuanto espacio vacío queda por unidad de cristal, depende de la simetría de la molécula. Entre más simetría en la molécula, mayor su coeficiente de empaquetamiento y por tanto mayor su punto de fusión.

El punto de fusión y ebullición pueden ser medidos por varios métodos sencillos. Uno de los más modernos y sofisticados consiste en el uso del aparato Mel-Temp® el cual mediante un calentador electrónico, un termómetro digital y una lente de magnificación puede medirse el punto de fusión o ebullición de una sustancia con una muy pequeña cantidad de muestra. Por lo general, el aparato Mel-Temp® tiene un regulador de voltaje con el cual se puede regular la temperatura y la velocidad con la que el aparato aumenta dicha temperatura. Hay otras versiones que usan un termómetro de mercurio (mis favoritos) el cual tiene el bulbo a la misma temperatura que las muestras. Es un aparato muy útil y conveniente.

(8)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

8

de Thiele el cual usa un líquido con un alto punto de ebullición, por lo general glicerina y un mechero Bunsen. Se coloca la muestra sujeta a un termómetro de mercurio y se pone a calentar el líquido viscoso dentro del tubo de Thiele de manera constante, se va registrando el aumento de la temperatura en el termómetro y cuando se da la evidencia del cambio de fase en la sustancia, se anota la temperatura. Este es un método arcaico pero muy útil.

Otro método para la medición del punto de fusión en el laboratorio es el uso del aparato Fisher-Johns el cual usa un disco caliente que aumenta la temperatura gradualmente. Se coloca la muestra en un portaobjetos y se cubre con un cubreobjetos, ambos de forma redonda, se coloca esta muestra sobre el disco y se sube la temperatura. En el momento que se detecta el cambio de fase, se registra la temperatura en el termómetro. Fácil.

(9)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

9

Punto de Ebullición

El punto de ebullición de una sustancia se define como la temperatura en la cual la presión de vapor del líquido iguala la presión externa.

Asumamos que tenemos una sustancia líquida A pura en un recipiente abierto. Esta sustancia presenta una presión de vapor producto de que a la temperatura en la que se encuentra hay algunas moléculas que ganan suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la fase gaseosa. Si el recipiente se encontrara cerrado, la presión de vapor del líquido tendría un equilibrio dinámico entre las fases de vapor y líquido, esto es común cuando tenemos botellas de agua cerradas las cuales luego de algunos días presentan gotas de agua condensadas en las paredes superiores. Si el recipiente está abierto, el vapor escapa y el agua se evaporaría lentamente. Continuando con nuestro análisis, si aumentamos la temperatura del líquido, las moléculas de este ganan más energía cinética y una mayor cantidad de moléculas pueden escapar de la fase líquida a la fase gaseosa, es decir, la presión de vapor aumenta con la temperatura. Intuitivo. Llega un punto en que aumentamos tanto la temperatura que la presión de vapor se iguala con la presión externa ejercida sobre el líquido. Toda la energía suministrada al líquido es usada para vencer las fuerzas

(10)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

10

intermoleculares de la sustancia y proporcionar energía cinética a las moléculas para que se mantengan en la fase gaseosa. Esta temperatura es la que llamamos el punto de ebullición.

Para un determinado líquido A, entre menor sea la presión externa, menor será el punto de ebullición, es por esto que debemos definir una presión de referencia sobre la cual hacer esta medición. Dicha presión es la presión atmosférica a nivel del mar y se le llama Presión Normal. La Presión Normal tiene un valor de 101 325 Pa. Cuando hacemos estas mediciones a una temperatura ambiente de 20,0 °C, le llamamos Condiciones Normales de Presión y Temperatura (NTP). No se debe confundir estas condiciones con las llamadas Condiciones Estándar de Presión Ambiente y Temperatura (STPA) las cuales se definen como 0,0 °C y una presión de 100 000 Pa…

¡Y hay más! Están las Condiciones Estándar de Presión y Temperatura que se definen como 0,0 °C y una presión de 101 325 Pa. Se debe indicar bajo qué condiciones se está trabajando cuando se hace este tipo de experimentos.

Condiciones NTP Condiciones STP Condiciones STPA

20,0 °C, 101 325 Pa 0,0 °C, 101 325 Pa 0,0 °C, 100 000 Pa

Es correcto, cada quien define sus condiciones. A los químicos orgánicos nos gustan las condiciones NTP. Haremos la aclaración si utilizamos otras.

Si, en efecto, el agua ebulle a diferente temperatura ya sea que se haga el experimento a nivel del mar, en la montaña o en la presión de Júpiter. ¿Alguna vez se han preguntado cómo funciona una olla de presión? Pues aprovecha este principio para lograr cocinar los alimentos en menor tiempo.

(11)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

11

alimentos. Hay alimentos fáciles de cocinar sin embargo hay otros bastante duros que necesitan pasar mucho tiempo en agua caliente para ablandarse y ser aptos para ser comidos. Suponiendo que con agua caliente ablandamos los alimentos, usando un recipiente NO hermético, la mayor temperatura a la que podremos acceder es la temperatura de ebullición del agua y esta varía con la presión atmosférica, como ya expusimos en el párrafo anterior. La relación entre la presión de vapor de una sustancia, P, y la temperatura, T, viene dada por la ecuación de Clausius-Clapeyron

(

)

Donde corresponde a la presión correspondiente a las condiciones de temperatura y corresponde a la presión a las condiciones de temperatura .

corresponde a la entalpía de vaporización de la sustancia estudiada y es la

constante universal de los gases ideales. Así entonces, asumamos que

y por tanto a esta presión para el agua. En el

Monte Everest la presión atmosférica es de . ¿Cuál sería la

temperatura de ebullición del agua a esta presión? Tomando y

resolviendo para tenemos

(

)

(

)

(12)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

12

¿Qué tiene que ver esto con la olla de presión? ¡Pues todo! En una olla de presión el agua se encuentra en un ambiente cerrado y hermético. A medida que se empieza a calentar el agua en su interior (con los alimentos) la presión de vapor del agua empieza a aumentar. Como la olla es hermética la presión de vapor del agua se suma que se calienta se suma a la presión ya existente (1 atm) dentro de la olla. Con esto la presión en el interior de la olla aumenta llegando a valores entre 1,80 atm (182 kPa) y 1,9 atm (192 kPa) y de esta forma el agua en el interior requiere una temperatura mayor para llegar a su punto de ebullición. Mayor temperatura en el interior de la olla, mayor velocidad para cocinar los alimentos, más rápido suavizar granos, suavizar carne y ablandar otros alimentos. Mayor rapidez para cocinar equivale a mayor eficiencia en el uso de la energía lo cual se traduce en menor costo al cocinar. Usando la ecuación de Clausius-Clapeyron se puede calcular la temperatura en el interior de la olla de presión.

(

)

En efecto, la ciencia es hermosa. Ingenieros este cálculo puede ser muy útil para el desempeño de su profesión.

Si analizamos la termodinámica del proceso de ebullición tenemos que para el proceso en equilibrio la temperatura de ebullición viene dado por la relación:

(13)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

13

Para cualquier sustancia, pasar del estado líquido al estado gaseoso involucra un cambio de entropía considerable y positiva. Dicho es considerado constante a

través de todas las sustancias, las diferencias son despreciables y por tanto, la razón de la variedad de temperaturas de ebullición entre las sustancias recae directamente en término que involucra todas las fuerzas intermoleculares. Entre más grande

mayor las fuerzas intermoleculares involucradas, por ende, mayor la

temperatura de ebullición. Las moléculas deben ganar suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la fase gaseosa, si las fuerzas intermoleculares son muy fuertes y variadas, se necesita más energía para esta transformación. Y para que no nos falte, las fuerzas intermoleculares siguen el orden de fuerza:

Una sustancia podría tener todas estas fuerzas presentes en la molécula por lo que siempre se debe tener especial cuidado en identificar las fuerzas intermoleculares que más aportan al efecto observado. Hay que saber qué fuerzas intermoleculares tienen las moléculas para saber cómo domarlas. El artículo de Rao, S. y Sunkada, S.

Making Sense of Boiling Point s and Melt ing Point s citado en la bibliografía profundiza sobre este tema. Ellos saben de fuerzas intermoleculares.

Solubilidad

La solubilidad, por otra parte, es otra característica física de una sustancia que nos expresa el tipo de fuerzas intermoleculares presentes en una sustancia. Cuando hablamos de solubilidad se sigue un mantra que ha acompañado a la ciencia

(14)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

14

.

Analicemos la solubilidad de una sal. Cloruro de sodio es una sal común que todos sabemos se disuelve en agua. Las fuerzas intermoleculares del agua son bastante fuertes debido a los puentes de hidrógeno los cuales rondan ⁄ en

promedio. En el caso del cloruro de sodio la energía de retículo cristalino (es decir, la unión de los iones) es de ⁄ . Con estos datos y sabiendo que la disolución

del cloruro de sodio en agua es un proceso espontáneo ( ) podemos interpretar

la siguiente relación:

Las moléculas de agua interactúan con los iones de sodio y cloruro de forma que tiran de ellos para hidratarlos. Esta interacción entre las moléculas de agua y los iones libera energía ( ) esto ocurre porque dicha interacción es más fuerte que

la interacción entre sólo moléculas de agua y sólo iones. La entropía del proceso aumenta ( ) ya que la sal pasa de un sólido cristalino a iones con

movimiento aleatorio en la disolución, así el término es siempre negativo.

Estos términos combinados hacen que y el proceso de disolución sea

espontáneo (para el caso del cloruro de sodio y otras sales). Si acaso un soluto es insoluble en agua quiere decir que . En este caso las fuerzas entre el solvente y

(15)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

15

La interpretación molecular de un fenómeno macroscópico es fundamental para el entendimiento de la química orgánica y ese es el objetivo de esta práctica: relacionar la estructura de una sustancia con sus propiedades físicas.

PROCEDIMIENTO

Solubilidad

 En su libreta haga el siguiente cuadro de solubilidad. Va a necesitar dos cuadros, uno para el caso de solubilidad en frío y otro en caliente.

Cloruro de sodio

Ácido Benzoico

Naftaleno Cloruro de hierro (III)

Glucosa

Agua

Etanol

Hexano

Cloroformo

 Colocar en tubos de ensayo una punta de espátula de cada sustancia y agregar 1 mL del solvente indicado. Agitar y observar.

(16)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

16

Solubilidad en Ácidos y Bases

 Colocar en tubos de ensayo una punta de espátula de carbonato de calcio, ácido benzoico, cloruro de sodio, polvo de hierro y naftaleno.

 . Agregar a cada tubo 10 gotas de ácido clorhídrico 1,0 mol/L. Anotar sus observaciones.

 Repetir este procedimiento pero ahora use disolución de hidróxido de sodio 1,0 mol/L y anote sus observaciones.

Punto de Fusión

 Tomar un capilar cerrado y colocar una cantidad pequeña de ácido benzoico.  Armar el Tubo de Thiele llenando el recipiente con glicerina.

 Colocar el tubo de Thiele a la llama de un mechero Bunsen. Amarrar con una liga el capilar a un termómetro y colocarlo dentro del tubo Thiele.

 Observar que el aumento en temperatura sea de forma lenta.

(17)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

17

 Tomar 0,2 g de ácido benzoico y 0,2 g de ácido oxálico y mezclar

manualmente. Tomar un capilar y colocar una muestra de esta mezcla en el tubo capilar.

 Armar nuevamente el tubo de Thiele el cual previamente ha sido enfriado en agua.

 Medir el punto de fusión de la mezcla.

Punto de Ebullición

 Armar un equipo de condensación con reflujo usando un balón de tres bocas de 250 mL como se muestra en la figura.

 Colocar 50 mL de agua destilada y un núcleo de ebullición.  Abrir la bomba del agua y recircular agua en el condensador.

 Calentar con mechero Bunsen lentamente y monitorear la temperatura en el termómetro.

 Cuando empiecen burbujas a formarse con regularidad anotar la temperatura.

Agua entra

(18)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

18

 Repetir el experimento usando una disolución de 1,0 g de cloruro de sodio

disuelto en 50 mL de agua. Anotar la temperatura de ebullición.

 Repetir el experimento usando etanol. Cuidado con el mechero pues el etanol es inflamable.

 Armar un equipo como el que se muestra en la figura.

 Tomar 50 mL de agua y colocarlos dentro del balón junto con un núcleo de ebullición.

 Sellar con grasa todas las uniones.

 Colocar la trampa de vacío en un baño de hielo.

 Encender la bomba de vacío e iniciar el calentamiento al balón.

 Controlar que la temperatura aumente lentamente. Verificar que esté corriendo agua fría por el condensador

 Dejar que el líquido llegue a ebullición y anotar la temperatura.

Agua entra

Agua sale

Bomba de vacío Trampa

(19)

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

19

TRABAJO POSTERIOR

1. Calcular la presión ejercida por la bomba de vacío usando la ecuación Clausius-Clapeyron y comparar con lo reportado por el fabricante de la bomba.

Figure

Actualización...

Referencias

Actualización...