OBTENCIÓN DE ACETILENO Y PROPIEDADES DE ALQUINOS Y ALCANOS Gallardo G., Lina Marcela1; Torres P., Gina Vanessa2 1
[email protected] 2
[email protected] Universidad del Valle Santiago de Cali
Fecha de realización de la práctica: 05 de octubre de 2013 Fecha de entrega: 19 de octubre de 2013 Abstract. In order to determine the chemical properties of the alkynes and comparing the reactivity of alkynes and alkanes, was produced calcium carbide the reaction with water to form acetylene, to this was added various substances, observing what was happening. Then at the same substances were added hexane to compare these reactions with the above. Key Words: alkyne, alkane, obtaining acetylene, reactions. Introducción Los alquinos son hidrocarburos que contienen enlaces triples carbono-carbono. La fórmula molecular general para los alquinos es CnH2n-2, y su grado de insaturación es 2. El acetileno o etino (HC≡CH) es el alquino más simple e importante, que fue descubierto por Berthelot en 1862. Los alquinos tienen unas propiedades físicas similares a los alcanos y alquenos. Son poco solubles en agua, tienen una baja densidad y presentan bajos puntos de ebullición. Sin embargo, los alquinos son más polares debido a la mayor atracción que ejerce un carbono sp sobre los electrones, comparado con un carbono sp3 o sp2 (1). Como propiedades químicas de los alquinos, se señala que son muy reactivos y pueden reaccionar con muchos agentes. Al tener un carácter ligeramente ácido, reaccionan con bases de los metales alcalinos y alcalinos térreos dando como productos sales que son valiosos reactivos químicos, como por
ejemplo el acetiluro de sodio. Una importante parte de los compuestos producidos a partir del acetileno son sustancias explosivas (2). Al igual que ocurría en los alquenos, en las reacciones de adición de los alquinos, se rompen enlaces p para dar enlaces s. Como los enlaces p son más débiles que los enlaces s, se trata siempre de reacciones de adición exotérmicas (3). Las principales reacciones que se presentan en los alquinos son de adición, entre las cuales están: Oxidación: Se ocasiona la ruptura del triple enlace y formación de ácido, para oxidar utilizamos permanganato de potasio (KMnO4).
Halogenación: Se agrega un halógeno al triple enlace. Cuando se utiliza flúor, se debe disminuir la temperatura en la reacción, ya
que es muy violenta; al realizarla con cloro o bromo hay una fácil adición al triple enlace.
El acetileno es un gas incoloro e inodoro cuando es puro, su olor desagradable se debe a las impurezas que contiene. Es muy poco soluble en el agua y muy soluble en acetona, a 12 atm de presión un litro de acetona disuelve 300 de acetileno.
Si continuó agregando cloro al dicloroetano obtenemos un dihalogenado.
Adición de halogenuros de hidrógeno: Se adiciona un halogenuro de hidrógeno (HCl, HBr, HI); en la segunda etapa se toma en cuenta la regla de Markovnicov.
El acetileno arde en el aire con llama muy luminosa y forma con éste mezclas explosivas. Su combustión libera mucha energía: 2 HC ≡ CH + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O (5)
Hidrogenación: Consiste en agregar hidrógenos al triple enlace hasta convertirlo en un enlace sencillo. Para realizarse la reacción es necesaria la presencia de un catalizador (platino o níquel).
Combustión: Es una reacción en los alquinos que provoca producción de llama.
(4)
Procedimiento Experimental (6) Parte 1 1. Se armó el montaje indicado en la guía de laboratorio. 2. Se llenaron 4 tubos de ensayo, de la siguiente manera: El primero, con 0.5 mL de agua de bromo. El segundo, con 0.5 mL de solución diluida de permanganato de potasio, basificada con hidróxido de sodio. El tercero, con 0.5 mL de solución amoniacal de nitrato de plata. El cuarto con 0.5 mL de solución amoniacal de cloruro de cobre. 3. Se colocó una pequeña cantidad de carburo de calcio en el balón del montaje anterior, y se tapó con un tapón que tenía
un embudo de adición con un poco de agua. 4. Con el embudo de adición, se adicionó agua (gota a gota) al balón, produciéndose un gas inflamable o acetileno, puesto que es lo que produce la reacción entre el carburo de calcio y el agua. 5. Se recogió el acetileno en los tubos mencionados antes, utilizándose un quinto tubo vacio para recolectar solamente acetileno, con el fin de verificar que el procedimiento fue realizado correctamente. 6. Al quinto tubo de ensayo se le acercó una cerilla encendida, no generándose una reacción de combustión (llama). Parte 2 1. Se llenaron 4 tubos de ensayo, con las siguientes sustancias: El primero, con 0.5 mL de agua de bromo. El segundo, con 0.5 mL de solución diluida de permanganato de potasio, basificada con hidróxido de sodio. El tercero, con 0.5 mL de solución amoniacal de nitrato de plata. El cuarto con 0.5 mL de solución amoniacal de cloruro de cobre. 2. A cada tubo de ensayo se adicionó 0.2 mL de hexano. 3. Se agitó cada tubo y se observó lo que sucedía. 4. Se comparó con los resultados anteriores. Datos y Resultados Parte 1 Se utilizó una pequeña cantidad carburo de calcio (g desconocidos).
Tabla 1. Tubos de ensayo con la respectiva sustancia adicionada y cantidad. N° Tubo Cantidad Sustancia de (mL) ensayo 1 Agua de Bromo 0.5 Solución diluida de 2 permanganato de 0.5 potasio Solución amoniacal 3 0.5 de nitrato de plata Solución amoniacal 4 0.5 de cloruro de cobre A cada tubo se adicionó acetileno (cantidad desconocida). Al agitarse cada tubo, se observó lo siguiente: En el tubo 1, no se vio ningún cambio. En el tubo 2, hubo un cambio de color de púrpura a marrón, notándose también la formación de un sólido de color marrón. En el tubo 3, se presentó un precipitado de color grisáceo. En el tubo 4, casi no hubo reacción, ya que el carburo de calcio había reaccionado completamente con el agua adicionada. En el tubo 5, como había que recoger en este acetileno, lo cual no fue posible por lo sucedido en el cuarto tubo. En consecuencia, no se pudo verificar la realización adecuada del procedimiento de obtención de acetileno.
Parte 2 Tabla 2. Tubos de ensayo con la respectiva sustancia adicionada y cantidad. N° Tubo Cantidad Sustancia de (mL) ensayo 1 Agua de Bromo 0.5 Solución diluida de 2 permanganato de 0.5 potasio Solución amoniacal 3 0.5 de nitrato de plata Solución amoniacal 4 0.5 de cloruro de cobre
ataque del electrófilo (H+, Br+, etc) al enlace múltiple. Esta es la etapa lenta, lo que justifica que la adición de H+ catalice la adición de ácidos débiles (7):
A cada tubo se agregó 0.2 mL de Hexano. Al agitarse cada tubo, se observó lo siguiente: En el tubo 1, se formaron dos fases: una amarilla y una naranja, siendo la primera más densa que la naranja. En el tubo 2, se presentaron dos fases, siendo la fase superior poco distinguible, al ser tan delgada. A diferencia de lo sucedido con esta sustancia al adicionar acetileno (Parte 1), aquí no se produjo un sólido marrón. En el tubo 3, se formaron dos fases incoloras, y a comparación con lo sucedido en el tubo 3 de la parte 1, no se generó un precipitado. En el tubo 4, se presentó un cambio de color, tornándose de color blancuzco, intentando formar dos fases, difícilmente distinguibles.
Tubo 2. La adición de acetileno al permanganato de potasio (KMnO4) hace que el triple enlace entre los dos carbonos que forman la molécula de acetileno se rompa y se formen dos moléculas de ácido etanóico. Al ser la mezcla de la reacción básica, la disetona que se origina inicialmente sufre una ruptura oxidativa. Los productos son las sales de los ácidos carboxílicos que se pueden transformar en ácidos. En esta reacción la adicción de permanganato de potasio implica la adición del ion permanganato al triple enlace. Gracias a esta reacción la solución de permanganato de potasio que posee una coloración purpura, al reducirse durante la oxidación del alquino da como resultado la decoloración de la solución y la precipitación del ión MnO2, el cual es de color marrón (8).
Discusión de Resultados Parte 1 Tubo 1. La reacción entre acetileno y bromo es una adición electrófila, pues se comienza por el
Tubo 3. La acidez de los alquinos terminales, es decir, un hidrógeno unido a un carbono con hibridación sp, muestra cierto carácter ácido. Los alquinos con un hidrógeno unido al
CH≡CH+Br2 CH≡CH + 2Br2
CHBr=CHBr CHBr2-CHBr2
Al momento de recoger el acetileno en el tubo no hubo reacción, por lo cual se asume que la cantidad de acetileno recogido no fue la suficiente para que el bromo reaccionara totalmente y la sustancia se tornara incolora.
carbono del triple enlace reaccionan con los iones Ag+ y Cu-. Esto haría que la mezcla inicialmente incolora se tornara de color amarillo y, finalmente se formará un precipitado de color café oscuro (8). En el procedimiento de este tubo, no se presento lo esperado, lo cual pudo deberse a la poca reacción que presentó el carburo de potasio, puesto que la mayoría de este ya se había consumido en los pasos anteriores. En consecuencia la producción de acetileno era poca e insuficiente para obtener los resultados esperados. Se cree que la presencia del precipitado grisáceo se debió al poco acetileno que se adicionó, logrando reaccionar de alguna forma para producirlo dicho precipitado. Tubo 4. La reacción entre la solución amoniacal de Cloruro de Cobre y el acetileno es una reacción ácido-base, seguida de precipitación, donde se forman acetiluros, que son sales del alquino con el metal (7). El color del precipitado debe ser rojo marrón. Como se mencionó en la sección de resultados, hubo poca reacción del carburo de potasio, puesto que la mayoría ya se había consumido. Por tal razón, no se recogió la cantidad de acetileno suficiente para lograr los resultados adecuados. Tubo 5. En este tubo se pretendía producir la combustión del acetileno, mediante la presencia de una cerilla encendida. Esto no se pudo realizar, pues no se presentó mas reacción entre el carburo de potasio y el agua, porque el primero ya había reaccionado
totalmente en los pasos anteriores. Esto nos indica que no se tuvo precaución al momento de adicionar el agua en cada paso. Parte 2 El Hexano es un hidrocarburo alifático saturado volátil, también llamado n-hexano. Es un alcano formado por 6 átomos de carbono y 14 átomos de hidrógeno. Es líquido, incoloro, de olor fuerte (9). Los alcanos son compuestos poco reactivos debido a que no tienen sitios de reacción con electrones disponibles o deficiencia de ellos. Es por ello que no sufren transformaciones en presencia de metales, ácidos, bases o agentes oxidantes sin la presencia de energía, generalmente en forma de calor. Sin embargo, los alcanos son excelentes combustibles y, en presencia de oxígeno arden bien y desprenden dióxido de carbono y agua (10). De acuerdo a estas propiedades, al adicionar el hexano a los cuatro tubos, no se presentó ningún tipo de reacción. Lo único que se evidencio fue la formación de dos fases en cada uno de los tubos, lo que pudo ocasionarse porque las sustancias utilizadas son inorgánicas, a diferencia del hexano, impidiéndose la mezcla de las sustancias con el hexano. Solución a las preguntas de la guía 1. Escriba las ecuaciones para cada una de las reacciones efectuadas en esta práctica. Parte1
Tubo 1
CH≡CH+Br2
CHBr=CHBr
CH≡CH + 2Br2
CHBr2-CHBr2
Tubo 2.
(11)
Tubo 3.
Ag(NH3)2+ + NO3 + HC≡CH
CAg + H+
Tubo 4.
Cu(NH3)2+ +Cl2+HC≡CH
HC-C-Cu +H+
2. ¿Cómo se obtiene etileno en el laboratorio? Si el etilieno se sometiera a los experimentos realizados en esta práctica, ¿Cuál sería su comportamiento? Explique con ecuaciones. La manera más práctica de obtener un hidrocarburo como el etileno es por el método de deshidratación del alcohol etílico mediante acido sulfúrico concentrado. Un alcohol se convierte en alqueno por deshidratación con la eliminación de una molécula de agua. El acido sulfúrico (H2SO4) reacciona en frio con los alcoholes dando un sulfato acido de alquilo. En particular, cuando el sulfato acido de etilo se calienta a 179°C, se descompone regenerando el acido sulfúrico y formando una olefina (un alqueno), el etileno. Esta transformación es fuertemente endotérmica, es decir; requiere de calor para ocurrir. Por eso debe llevarse a cabo en hornos de pirolisis, a unos 1000°C. Esta alta
temperatura produce el rompimiento de enlaces, así que la formación de etileno se ve acompañada de la creación de otros productos secundarios no deseados, que son separados posteriormente por destilación o absorción (12). Si el etileno se sometiera a las pruebas efectuadas en el laboratorio con el acetileno, su comportamiento sería muy similar al del acetileno, debido a que los enlaces π que tienen los alquinos son muy accesibles al ataque de reactivos electrofílicos, como sucede en los alquenos, pero el enlace triple es menos reactivo que un enlace doble. Al reaccionar el etileno con Br2, daría como producto un halogenuro de alquino, como en el caso del acetileno. H3C-CH=CH2 + Br2 → H3C-CHBr-CH2Br Al reaccionar con el permanganato de potasio, si éste se encuentra frío no romperá el doble enlace como el acetileno, sino que formará un glicol. H2C=CH2 + KMnO4→HO-CH2CH2-OH La único con lo que el etileno no reaccionaría sería con Ag+ y Cu+, ya que el etileno no posee hidrógenos ácidos, los cuales son sustituidos fácilmente por los metales. 3. La síntesis industrial moderna del acetileno se realiza por craqueo térmico del metano. Explique este proceso. El craqueo térmico consiste en la ruptura de las cadenas carbonadas (carbono-hidrogeno) con la acción de calor a una temperatura de entre 400 – 650ºC, dejando un radical libre el cual ataca otra molécula de metano para formar así el acetileno (13).
4. Los resultados estereoquímicos sugieren que la halogenación de los alquinos tienen lugar a través de un ion halonio similar al ion halonio intermedio en la halogenación de alquenos. Este mecanismo explica la observación que los triples enlaces sean mucho menos reactivos frente al cloro y al bromo que los dobles. Dibuje los intermediarios y explique el comportamiento.
Bromo. En este caso, la rigidez del ion cíclico es menor y puede sufrir ataque del Bromo restante en la misma dirección del Halonio. Así, la estabilidad de la molécula será mayor, comparada con el alqueno, y por tanto, la reacción será más lenta (8). 5. Con base en la pregunta anterior, complete la siguiente ecuación: Br2 →
Ion halonio
Ion halonio intermedio
Br
6. Proponga un mecanismo para la adición de agua al propino, catalizando con acido sulfúrico y sulfato mercúrico.
Lo que fundamentalmente explica la razón de porque los alquenos son mas reactivos que los alquinos se basa en los enlaces π de los compuestos. En los alquenos, el enlace π atrae la molécula biatómica de bromo, del cual se extrae uno de ellos y se acopla en la nube π. En este momento se forma el intermediario del ion Bromonio cíclico, adquiriendo una ordenación rígida, estable y poco permisible a ataques nucleofílicos enfilados en la misma dirección en la que se encuentra el Bromo del halonio. Por lo tanto, el bromo restante tiene una única opción de atacar por la dirección inversa del Bromonio. Esta formación del ion resulta ser poco estable y de mucha dilatación, por lo que la molécula en busca de estabilizarse, reacciona rápidamente. En el caso del alquino, la molécula posee dos enlaces π, de los cuales solo uno es el que promueve el ataque hacia la molécula del
Esta reacción seria una reacción de hidratación. Las reacciones de hidratación de un triple enlace (alquinos) se tienen que llevar a cabo bajo la catálisis por ácido y por el ión mercúrico. Para efectuar esta hidratación, se emplea normalmente una mezcla de sulfato mercúrico en ácido sulfúrico acuoso. El producto de la reacción será una cetona:
La hidratación de los alquinos es mecanísticamente semejante a la reacción de oximercuriación de alquenos. En el primer paso del mecanismo de oximercuriación de un alquino se produce la complejación del triple enlace con el acetato de mercurio. El intermedio catiónico es atacado por el agua originando un enol organomercúrico: Primer paso: Ataque electrofílico al triple enlace.
Segundo paso: Ataque nucleofílico del agua.
+
El enol organomercúrico reacciona con H3O para formar un carbocatión estabilizado por resonancia. Tercer paso: Protonación organomercúrico.
del
enol
Finalmente, el catión anterior reacciona con el anión acetato para regenerar el acetato de mercurio y un enol. Cuarto Paso: Formacion del enol por desmercuriación.
El producto final de la reacción de hidratación de alquinos es una cetona. El enol se transforma en una cetona a través de un mecanismo que se inicia con la protonación regioselectiva del doble enlace seguida de desprotonación del átomo de oxígeno. La transformación del enol en la cetona es un proceso de equilibrio denominado equilibrio ceto-enólico (14).
Conclusiones La poca reactividad de los alcanos se debe a que presentan un enlace , los cuales son muy estables, y por tanto difíciles de romper. En cambio, los alquenos y alquinos al poseer enlaces , que son menos estables, son más reactivos. La obtención de acetileno a partir del carburo de calcio se puede realizar por medio de reacción de hidrólisis, la cual es de fácil realización en el laboratorio. Para que en el procedimiento se logren obtener los resultados esperados de acuerdo a la teoría, se debe tener mucha precaución al momento de adicionar la cantidad de agua necesaria para la reacción con el carburo de calcio, puesto que de esto depende la obtención del acetileno. Referencias Bibliográficas 1. Fernández, Germán. Química Orgánica. Alquinos-Teoría. [En línea] 12 de 03 de 2008. [Citado el: 10 de 10 de 2013.] http://www.quimicaorganica.org/alquinos.ht ml. 2. Anónimo. Sabelotodo.org. Hidrocarburos Alquinos. [En línea] 2007. [Citado el: 10 de 10 de 2013.] http://www.sabelotodo.org/quimica/alquinos. html.
3. Open Course Ware. Alquinos II. [En línea] 2007. [Citado el: 10 de 10 de 2013.] http://ocwus.us.es/quimica-organica/quimicaorganicai/temas/7_alquinos/leccion16/pagina_03.htm. 4. WordExpress. WordExpress. Propiedades Químicas de Alquinos. [En línea] 2009. [Citado el: 10 de 10 de 2013.] http://kira2629.wordpress.com/2009/06/18/pr opiedades-fisicas-y-quimicas-de-losalquinos/. 5. Anónimo. FullQuímica. El Acetileno. [En línea] 2008. [Citado el: 10 de 10 de 2013.] http://www.fullquimica.com/2012/09/elacetileno.html. 6. Insuasty, B. y Ramirez, A. Obtención de acetileno y propiedades de alquinos y alcanos. Santiago de Cali : Universidad del Valle, 2008. 7. Universidad de Alcalá. Reacciones Orgánicas. [En línea] [Citado el: 10 de 10 de 2013.] http://www2.uah.es/edejesus/resumenes/QG/ Tema_18.pdf. 8. Doria, Maria del Carmen. Experimentos de química en microescala para nivel medio superior. México : Universidad Iberoamericana, 2009. 9. EcuRed. EcuRed. Hexano. [En línea] 2011. [Citado el: 10 de 10 de 2013.] http://www.ecured.cu/index.php/Hexano. 10. Vega, E. Hidrocarburos Alifáticos. s.l. : Universisdad Autónoma del Estado de Hidalgo, 2008. 11. Textos Científicos. Hidrocarburos. [En línea] 2005. [Citado el: 10 de 10 de 2013.]
http://www.textoscientificos.com/quimica/hi drocarburos. 12. Quimica IV. Quimica IV. Obtención de Etileno en el laboratorio. [En línea] 17 de 03 de 2012. [Citado el: 10 de 10 de 2013.] http://quimica4equipo5.com/2012/03/obtenci on-del-etileno-en-el-laboratorio.html. 13. Yarsa, M. Industria de la Química. Petróleo, materia prima para la industrai química. [En línea] 2008. [Citado el: 10 de 10 de 2013.] http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/mat eria/industrial/libro-4.PDF. 14. Docencia Sinorg. Docencia Sinorg. Alquinos. [En línea] 2008. [Citado el: 11 de 10 de 2013.] http://www.sinorg.uji.es/Docencia/QO/tema7 QO.pdf.
