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Guia 1 Guia 1 Presentation Transcript

  • UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA” AREA DE TECNOLOGÍA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA PRÁCTICA  1 DETERMINACIÓN  DE  PUNTOS  DE  FUSIÓN I.  OBJETIVO Determinar el Punto de Fusión en compuestos orgánicos, a fin de ser utilizado como criterio de identidad y  pureza. I.  INTRODUCCIÓN La pureza e identidad de una sustancia orgánica queda establecida cuando se verifica que sus constantes  físicas (puntos de fusión, ebullición, masa molar, densidad, índice de refracción, rotación específica, color,  espectros de absorción, etc.) y sus propiedades químicas son muy aproximadas a las registradas en la literatura  para dicha sustancia. Debido a la facilidad con que se determinan los puntos de fusión y ebullición, y sobre  todo porque son las constantes más frecuentemente disponibles en la bibliografía, su  determinación es una de  las operaciones de rutina en los laboratorios de química orgánica. III.  FUNDAMENTOS  TEÓRICOS El Punto de Fusión de un sólido cristalino se define como la temperatura a la cual los estados sólido y  líquido de dicha sustancia se encuentran en equilibrio, a presión atmosférica. Esta constante física de los  sólidos es la más utilizada por los químicos orgánicos como criterio de identidad, debido a que en una sustancia  pura, el cambio de sólido a líquido es generalmente muy rápido y la temperatura es propia de cada sustancia. Se  altera considerablemente por la presencia de impurezas, pero no se ve afectado por cambios de presión. La determinación de esta constante se puede realizar experimentalmente utilizando el método capilar de  puntos de fusión (para ello se emplea el tubo Thiele o un matraz Kjeldahl); también utilizando instrumentos  especiales   como   el   equipo   Electrothermal.   Los   fundamentos   de   estos   métodos   se   explican   en   la   sección  experimental. Existen otros métodos como los determinados en una platina Kofler o el aparato de Fisher – Johns (Anexo  I, Figura I.1). Los puntos de fusión difieren en varios grados de los obtenidos por el método capilar, por ello se  debe especificar el instrumento utilizado para obtener esta propiedad física. Cuando se está determinando el punto de fusión de una muestra, debe reportarse la temperatura a la cual  se empieza a observar el primer indicio de fusión, y la temperatura a la cual desaparece el último cristal. La  diferencia de temperatura constituye el Intervalo de Fusión y la temperatura promedio se toma como el Punto  de Fusión.
  • IV.  PARTE  EXPERIMENTAL MÉTODOS  EXPERIMENTALES Para las determinaciones del Punto de Fusión en este curso se emplearán el Tubo Thiele (Figura 1) y un  equipo digital para la determinación de puntos de fusión Electrothermal (Figura 3). PROCEDIMIENTOS 1.  UTILIZANDO  EL  TUBO  THIELE: Colocar una pequeña cantidad de muestra seca y finamente dividida en un tubo capilar, y cerrado por  un extremo (realizar la operación de cierre con mechero, verificar que esté bien sellado, de lo contrario se  contamina la muestra). Para introducir la muestra en el capilar, primeramente pulverizar la misma sobre un   vidrio de reloj  utilizando la punta de un agitador, luego golpear el extremo abierto del capilar contra la muestra. Tomar un  tubo de vidrio hueco y dejar caer el capilar varias veces por su interior hasta lograr que la muestra descienda al  extremo cerrado. Para asegurar una buena determinación del punto de fusión, se debe llenar el capilar hasta  alcanzar una altura de 2mm. Por otro lado, preparar un termómetro, introduciéndolo a través de un tapón de goma dihoradado  (significa que contiene dos orificios, el adicional permite el escape de los vapores del baño). Sujetar el capilar  previamente preparado con la muestra al termómetro utilizando una banda de goma, de tal manera que quede al  nivel del bulbo. Seguidamente fijar el tubo Thiele a un soporte universal mediante pinzas, llenarlo con el  líquido a ser utilizado como baño y colocarle el tapón de goma preparado (contentivo del termómetro y el  capilar con la muestra). Advertencia: se debe cuidar de no cubrir la banda de goma con el líquido de baño, ya  que al calentarse se rompe perdiéndose la muestra  al caer en el baño. El nivel del líquido de baño en el tubo Thiele debe cubrir la entrada superior del brazo lateral del  mismo. En la Figura 1, se muestra el uso correcto del tubo Thiele, donde el termómetro y muestra se sitúan en  el interior del tubo, de forma que esta última y extremo sensible del termómetro queden ligeramente por debajo  del fondo del tubo lateral. Los líquidos utilizados para baños tienen que ser estables y de punto de ebullición altos. Los más  utilizados son glicerina (Peb. 290°C), parafina (para determinaciones de temperaturas de fusión mayores a  240°C) y aceite (para temperaturas inferiores a 225 ó 250°C). Comenzar a calentar con un mechero el baño, aplicando la llama en el punto “A”, procurar que la  temperatura ascienda lentamente, unos 15° por minuto y cuando falten unos 15° para que funda el compuesto,  regular el calentamiento para que la temperatura ascienda entre 2 ­ 3° por minuto. Observar y anotar la temperatura inicial y final de la fusión, reportar ambas temperaturas y el promedio  de éstas como su punto de fusión. Comparar el valor obtenido con los reportados en el Anexo II, Tabla II.1, ó  en las tablas de bibliografía técnica investigada para la identificación de la muestra.
  • 3 7 6 5 8 1 4 2 “A” 9 Figura  1.   Tubo  Thiele  para  determinar  Punto  de  Fusión. Fuente: Pasto, D., Jonson, C. Organic Estructure Determination. Esquema: 1. Tubo Thiele, 2. Líquido de baño (se muestra el nivel recomendado), 3. Termómetro, 4. Tubo capilar, 5.  Tapón dihoradado, 6. Orificio, 7. Soporte universal, 8. Gancho para soporte, 9. Mechero. Opcionalmente, si no se dispone del tubo Thiele, se puede llevar a cabo la determinación de puntos de  fusión de manera sencilla en un matraz erlenmeyer de 250mL, montado sobre una rejilla y aro, unidos a un  soporte universal. El procedimiento a seguir es similar al empleado para el tubo Thiele, en este caso el líquido  de baño debe ocupar menos de la mitad de su capacidad. En la Figura 2 se muestra el esquema.
  • 3 6 5 7 1 9 Colocación  2 correcta  del  8 termómetro  y  4 10 Figura  2.   Aparato  opcional  para  determinar  puntos  de  fusión Esquema: 1. Matraz erlenmeyer, 2. Líquido de baño (se muestra el nivel recomendado), 3. Termómetro, 4. Tubo  capilar,  5.  Tapón dihoradado  (se  muestra  el orificio  para  escape de  vapores),  6. Soporte universal, 7.  Gancho para soporte, 8. Mechero, 9. Aro, 10. Rejilla. 2)  UTILIZANDO  EL  EQUIPO  DIGITAL  PARA  LA  DETERMINACIÓN  DE  PUNTOS  DE  FUSIÓN  ELECTROTHERMAL: DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO (VER FIGURA 3). Consta de un cabezal de observación giratorio con capacidad para calentamiento simultáneo de hasta  3   capilares,  lente  de   foco  ajustable  de  40mm  de  diámetro,  removible,  de  6  aumentos  y   ángulo  ancho   de  observación, con brazo ajustable en longitud y ángulo y  pantalla digital. El cuerpo es totalmente rebatible para  facilidad de almacenado. PROCEDIMIENTO. El profesor le dará las instrucciones para su manejo, utilizar los diagramas de flujo para su operación,  los cuales se encuentran en los esquemas 1 y 2. Observar y anotar las temperaturas indicadas en la pantalla digital, al momento que comienza a  fundir la muestra y el punto donde funde completamente. Reportar ambas temperaturas y el promedio de éstas  como el punto de fusión  de la muestra. Comparar el valor obtenido con los reportados en el Anexo II, Tabla  II.1, para la identificación de la muestra.
  • Figura  3.  Equipo  para  la  determinación  de  punto  de  fusión  Electrothermal Esquema: 1. Brazo ajustable (contiene el cabezal de observación). 2. Cabezal de observación (contiene resistencia para  calentamiento). 5 3. Foco ajustable (contiene lente de aumento para observar la  muestra). 6 4. Orificio  para  introducir  los  (tres)  capilares. 1 8 5. Pantalla  digital  (se lee el valor de temperatura  en  ºC). 7 9 6. Tecla  “Go To”  (inicia  el  proceso). 7. Tecla  “Clear” (borra  cualquier  error  de introducción  de  4 datos). 2 3 8. Tecla  de  disminución  de  temperatura: (∆ = ­ 1 ºC). 9. Tecla  de  aumento  de  temperatura: (∆ = + 10 ºC). a)   Esquema  del  equipo  Electrothermal b)   Dimensiones  del  equipo  Electrothermal Fuente: Manual del equipo Electrothermal
  • Esquema  1.  Funcionamiento  del  equipo  digital  electrothermal  para  determinar  puntos  de  fusión,  cuando  se  conoce  el  punto  de  fusión. 1        2      3 4 Precalentar  el horno  Encender  el  Oprimir  la  Esperar  hasta  300ºC equipo  tecla  GO TO 30 min. (introducir  el  valor  con  la  Electrothermal tecla  ∆  y  retirar  el  lente,  se  observa en  pantalla) 5 6 7 Introducir  el  valor del  PUNTO  DE  AJUSTE  (con  Esperar  que  la temperatura  del  Oprimir  la  tecla  las  teclas      y   ), entre 2 –  horno ascienda  hasta  300ºC  CLEAR  cuatro  10ºC por debajo  del  Punto  (Se muestra en pantalla y  se  veces  (opcional) de Fusión  conocido escuchan  tres  pitos) Esperar  la  estabilización  de  8           9 10 la  temperatura  en  el  Punto  Oprimir  la  tecla  Introducir  los  capilares  de  Ajuste,  al  ocurrir  esto  GO  TO en  los  tubos  guías  suenan  tres  pitos  (observar  (colocar  altura  máxima  en  pantalla  el  valor  de  muestra  1 mm) introducido) 11 12         13 Esperar  dos  Oprimir  la  tecla  Observar  el  tubo  capilar  y  minutos GO  TO  anotar  el  valor  de  la  (nuevamente). temperatura  leído  en  pantalla,  La  temperatura  en  el  momento  que  comienza  ascenderá  1º C  por  y  termina  de  fundir  el  sólido minuto 1    2   Si  se  desea  analizar  otra Presionar la tecla CLEAR  Continuar  como  en    muestra  con  el  mismo una  vez  (se  muestra  el  8   punto  de  ajuste  ( p.a:): mismo  valor  de  p. a.  en  pantalla) Introducir  el  valor  del  nuevo  punto  de  ajuste  (con  las    Si  se  desea  un  nuevo     punto  de  ajuste: teclas      y   ),  continuar  como  en  8.
  • Fuente  Propia Esquemas  2.  Funcionamiento  del  equipo  digital  Electrothermal  para  determinar  punto  de  fusión,  cuando  se  desconoce  el  punto  de  fusión  (método  de  rampa  rápida,  sin  punto  de  ajuste). 1        2      3 4 Encender  el  Precalentar  el horno  hasta  Presionar  la  Esperar  equipo  300ºC tecla  GO TO 30 min. Electrothermal (introducir  el  valor  con  la  tecla  ∆  y  retirar  el  lente,  se  observa en  pantalla) 5 6 7 Esperar  que  la temperatura  del  Presionar  la  tecla  Estabilizar  a  la  horno ascienda  hasta  300ºC  (Se  CLEAR  cuatro  temperatura  de  trabajo muestra en pantalla y  se  escuchan  veces tres  pitos) 8           9 10 Presionar  la  tecla  CLEAR  Presionar  la  tecla  GO   Presionar  la  tecla  de  cuatro  veces incremento de temperatura (∆) TO. Se  muestra  en  pantalla:  Se  muestra  en  pantalla: 010.0 10:10 11    12         13 Introducir  los  tres  Presionar  la  tecla  GO   Observar  el  tubo  capilar  y  capilares  en  los  tubos  TO  (nuevamente), anotar  el  valor  de  la  guías  (aún  cuando  se  el  led  derecho  se  temperatura  leído  en  esté  analizando  una  sola  encenderá  y  la  pantalla,  en  el  momento  que  muestra) temperatura  ascenderá  comienza  y  termina  de  fundir  10 ºC/ min,  hasta  un  el  sólido máximo  de  400 ºC 1    2       Si  se  desea  analizar Presionar  la  tecla  Continuar        una  muestra  diferente: CLEAR  cuatro  veces como  en  9. Fuente  Propia
  • 3)  Influencia  de  impurezas  en  la  determinación  de  `puntos  de  fusión Los   compuestos   puros   tienen   puntos   de   fusión   precisos   (intervalos   de   fusión   cortos),   mientras  compuestos impuros funden generalmente a menor temperatura que los anteriores y con largos intervalos de  fusión; por esta razón el punto de fusión representa un buen criterio de pureza. La   presencia   de   impurezas,   provoca   disminuciones   en   el   punto   de   fusión.   En   caso   de   haber  diferencias notables entre los puntos de fusión teóricos y experimentales, se realiza una recristalización para  eliminar las impurezas. Se puede verificar cómo afecta la presencia de impurezas a través del siguiente procedimiento: se  denomina “A” a una sustancia conocida y “B” una sustancia desconocida que va actuar como impureza. Procedimiento: Llenar un capilar con la mezcla “A + B” y en sus respectivos capilares, la sustancia desconocida “B”  y la conocida “A”. Determinar sus puntos de fusión de manera simultánea (procedimiento 1 o 2) y observar  cómo afectará la cantidad de sustancia desconocida (la cual puede ser en partes iguales, mayor ó menor que la  cantidad de A) que actuará como impureza en el intervalo de fusión y el punto de fusión de la mezcla.  Analizar  el resultado. Ejemplo: si se tiene una sustancia A con un punto de fusión entre 120.5 ºC ­ 121 ºC y se mezcla con  pequeñas cantidades de una sustancia B, cuyo punto de fusión está entre 150 – 151 ºC, el punto de fusión de la  mezcla será menor que 120.5 ºC. Si por el contrario, la mezcla tiene mayor porcentaje de B que de A, el punto  de fusión será inferior  a 150 ºC. EXPERIMENTO  1:   Identificación  de  un  compuesto  orgánico  sólido  y  químicamente  puro,  mediante  su  punto  de  fusión. Materiales,  Compuestos y  Equipos. Materiales:   Tubos capilares, tubo Thiele, termómetro, tapón de goma, mechero, bandas de goma, vidrio  de reloj, espátula, tubo de vidrio hueco,  opcional:  matraz erlenmeyer de 250 mL, rejilla, aro. Compuestos: Muestra Orgánica suministrada por el profesor. Equipo: Equipo para la determinación de punto de fusión Electrothermal. Procedimiento: Utilizar el tubo Thiele aplicando el procedimiento “1” y el equipo digital para determinar  puntos de fusión Electrothermal según el procedimiento “2”, aplicar en este caso, el esquema de operación  que indique el profesor.     EXPERIMENTO  2:   Influencia  de  impurezas  en  la  determinación  de  puntos  de  fusión Materiales, Compuestos  y  Equipos. Materiales: Tubos capilares, vidrio de reloj, espátula,  opcional   matraz erlenmeyer de 250 mL, aro, rejilla,     : soporte universal, mechero. Compuestos: Muestra orgánica suministrada por el profesor (sustancia A)  y muestra desconocida (B). Equipo: Equipo para la determinación de punto de fusión Electrothermal.
  • Procedimiento: Determinar los puntos de fusión según el procedimiento 3 y el equipo para determinar puntos  de fusión Electrothermal ó el método opcional. Considerar el compuesto conocido (A), el identificado en la  primera parte. V.  ANÁLISIS  Y  DISCUSIÓN  DE  RESULTADOS Para cada uno de los experimentos anotar sus observaciones en la tabla de resultados (sección   VIII),  analizar los resultados. Comparar los métodos utilizados para la determinación de Puntos de Fusión. VI.  PREGUNTAS 1.­ ¿Cuáles errores de procedimientos pueden dar por resultado un punto de fusión mayor al verdadero? 2.­ ¿Por qué al mezclar un compuesto A con uno B, el punto de fusión varía? 3.­ ¿Qué efecto ejerce sobre el valor del punto de fusión las siguientes variables: a) Tubo capilar de paredes gruesas. b) Calentamiento muy rápido. c) Exceso de muestra capilar. 4.­ ¿Qué parámetros debes considerar para seleccionar el líquido para baños? 5.­ ¿Cómo se determina el punto de fusión de un compuesto desconocido? Explique brevemente. VII:  BIBLIOGRAFÍA DOMÍNGUEZ,  X.. Experimentos de  química orgánica,  Editorial  Limusa,  México,  1996. MEDINA, R.,  COLMENARES, B.  Manual  de  seguridad  e  higiene  del  laboratorio  de  química  orgánica   I  de  la  Universidad  Nacional  Experimental  Francisco  de  Miranda.  Venezuela,  2003. PERRY,  J.   Manual  del  ingeniero  químico,  Volumen  I,   Editorial  Mc Graw  Hill,  México,  1978. Merck  KGaA.   Seguridad. Manual  para  el  laboratorio,  2da.  edición,  Alemania,  1998. Manual  del  equipo para  determinar  puntos  de  fusión  Electrothermal.
  • IX.  ANEXOS Anexo I Figura  I.1.  Aparato  Fisher ­ Johns  para  determinar  puntos  de  fusión,  no  es  utilizado  en  la  actualidad. Fuente: Pasto,D., Jonson, C. Organic  Estructure  Determination.
  • ANEXO  II Tabla  1.  Propiedades  físicas  de  algunos  compuestos  orgánicos NOMBRE PUNTO  DE  PUNTO  DE  OBSERVACIONES FUSIÓN, EBULLICIÓ  °C N, °C Acetaldehído ­ 123 21 Inflamable en  grado  extremo Acetamida 81 222 Tóxico,  ligeramente  combustible Acetona ­ 95 56 Inflamable en  grado  extremo Acetanilida 114 304 Irritante,  ligeramente  combustible Acido  acetilsalicílico 133 Acido  benzoico 122 249 Nocivo  e  irritante Acido  salicílico 155 ­ 159 211 Irritante (a 20 mm Hg) Anhídrido  maleico 53 202 Tóxico  e  Inflamable Anilina 184.4 Tóxico Ácido  cinámico 133 Ácido  maleico 130 ­ 131 Irritante  y  nocivo Ácido  fumárico 287 No disponible Tóxico  e  Inflamable ­­­ 118 Nocivo Alcohol  n ­ butílico ­­­ 82.8 Nocivo,  Inflamable Alcohol  t ­ butílico Alcohol  etílico ­ 112 78.4 Nocivo Alcohol  metílico ­ 97.8 64.7 Tóxico ­ 85.8 82.5 Inflamable Alcohol  propílico ( i   ­ 127 97.8 )                            ( n ) Benceno 5 80 Venenoso,  inflamable y  corrosivo Bromo puro ­ 7 58 Corrosivo,  venenoso  y  oxidante Carbón  activado No disponible No disponible Producto no peligroso Cobre  en  lámina 1084 2595 Irritante Cristal  violeta 215 No  aplica Irritante  y  nocivo 53 Tóxico Diclorobenceno  ( p ) Benzamida 130 290 Tóxico ­ 104 66 Tóxico Butilamina ( s )
  • Clorobenceno 132.1 Nocivo Cloroformo 61.3 Nocivo Eter  dietílico 34.6 Inflamable Tetracloruro  de  76.8 Tóxico carbono Tolueno 111 Nocivo Urea 132.7 Fuente: Manual de seguridad e higiene del laboratorio de química orgánica I de la UNEFM.  M, R. y  C.,B. Nota:   Para  manejar  estos  reactivos  se  requiere  usar  protección.