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REACTIVIDAD Y CARACTERIZACIÓN DE HIDROCARBUROS
INTRODUCCIÓN
Las características principales de los hidrocarburos saturados (alcanos cicloalcanos) es su "inercia química", es decir, su escasa reactividad, mientras que los hidrocarburos insaturados (alquenos) son muy reactivos, Un lugar aparte merecen los hidrocarburos aromáticos, los cuales se caracterizan por tener un sistema de dobles enlaces deslocalizados, cuya resonancia le imparte una estabilidad especial al anillo. Por lo tanto, son considerados compuestos insaturados que no dan las típicas reacciones de adición y oxidación de los alquenos (Lozano, Romero y Urbina, 2013). Los alquenos son hidrocarburos insaturados que tienen doble enlace carbono-carbono en su molécula. Se puede decir que un alqueno es un alcano que ha perdido dos átomos de hidrógeno produciendo como resultado un enlace doble entre dos carbonos. Los alcanos son compuestos formados por carbono e hidrógeno que sólo contienen enlaces simples carbono – carbono. Cumplen la fórmula general CnH2n+2, donde (n) es el número de carbonos de la molécula. Los alquinos son hidrocarburos que contienen un triple enlace C-C. Se les denomina también hidrocarburos acetilénicos porque derivan del alquino más simple. En esta experiencia denominada Reactividad y caracterización de hidrocarburos, se va a comprobar semejanzas y diferencias en las propiedades fisicoquímicas y de Alcanos, Alquenos y Aromáticos, empleando diferentes ensayos cualitativos a los grupos funcionales presentes en muestras de hidrocarburos conocidas y desconocidas. Para la realización de esta práctica es necesario tener en cuenta conceptos importantes que permiten el desarrollo de ésta, la cuales son: ● Solubilidad: la solubilidad es la capacidad que tiene determinada sustancia para lograr disolverse en otra y así formar un sistema homogéneo. ● Densidad: La densidad es una magnitud escalar que permite medir la cantidad de masa que hay en determinado volumen de una sustancia, de otra manera es es la relación entre masa y volumen. ● Combustión: es la reacción química, relativamente rápida, de carácter notablemente exotérmico, que se desarrolla en fase gaseosa o heterogénea (líquido-gas, sólido-gas) con o sin manifestación de llamas o de radiaciones visibles. ● Fuerza intermolecular de atracción: son las responsables de la unión aparente y débil que muestran moléculas electro neutras (sean polares o no). ● Radicales libres: es una especie química (orgánica o inorgánica), caracterizada por poseer uno o más electrones desapareados. Se forma en el intermedio de reacciones químicas, a partir de la ruptura homolítica de una molécula y, en general, es extremadamente inestable y, por tanto, con gran poder reactivo y de vida media muy corta (milisegundos).
● Insaturación: el grado de insaturación es el número de ciclos y dobles enlaces presentes en una molécula. Debido a que los alcanos contienen el máximo número posible de enlaces carbono-hidrógeno, se dice de ellos que son hidrocarburos saturados. Alquenos y compuestos cíclicos son hidrocarburos insaturados. ● Adición electrofílica : es una reacción de adición donde en un compuesto químico, el sustrato de la reacción, se pierde un enlace pi para permitir la formación de dos nuevos enlaces sigma. ● sustitución nucleofílica: En química, una sustitución nucleofílica es un tipo de reacción de sustitución en la que un nucleófilo, "rico en electrones", reemplaza en una posición electrófila, "pobre en electrones", de una molécula a un átomo o grupo, denominados grupo saliente. Objetivos Comprobar semejanzas y diferencias en las propiedades fisicoquímicas y de Alcanos, Alquenos y Aromáticos Caracterizar empleando diferentes ensayos cualitativos los grupos funcionales presentes en muestras de hidrocarburos conocidas y desconocidas. Fundamento teórico Las características principales de los hidrocarburos saturados (alcanos y cicloalcanos) es su “inercia química”, es decir, su escasa reactividad, mientras que los hidrocarburos insaturados (alquenos, alquinos) son muy reactivos. Un lugar aparte merece los hidrocarburos aromáticos, los cuales se caracterizan por tener un sistema de dobles enlaces deslocalizados, cuya resonancia le imparte una estabilidad especial al anillo. Por tanto, son considerados compuestos insaturados que no dan las típicas reacciones de adición y oxidación típicas de los alquenos. Los alcanos presentan solamente enlaces sencillos. A temperatura ambiente, los alcanos desde el metano hasta el butano son gases, del pentano al heptadecano son líquidos, mientras que aquellos que tienen más de diecisiete (17) átomos de carbono son sólidos. Los alcanos son compuestos no polares, por lo tanto, son solubles en compuestos no polares o escasamente polares. Por otra parte, estos hidrocarburos saturados (alcanos y cicloalcanos) son insolubles en^ ácido^ sulfúrico^ (H 2 SO 4 )^ concentrado^ y^ en^ soluciones^ acuosas^ de^ hidróxido de sodio (NaOH) (^) al 10 % (p/v), y además, poseen valores de densidad inferiores a la densidad del agua. Los hidrocarburos saturados arden en el aire con llama poca luminosa (oxidación). La mezcla de alcano y oxígeno aparentemente no reacciona a temperatura ambiente, pero en presencia de una chispa o llama que suministre la energía de activación ocurre la reacción de combustión. Otra de las reacciones características de los alcanos se lleva a cabo bajo condiciones de luz ultravioleta o altas temperaturas. Además, los hidrocarburos saturados sufren reacciones de sustitución por el mecanismo de radicales libres para formar haloalcanos y haluros de hidrógeno. Por otro lado, las soluciones de permanganato de potasio (KMnO 4 ), ácido nítrico concentrado (HNO 3 ) y ácido sulfúrico concentrado (H 2 SO 4 ) no producen una reacción visible (^) a temperatura ambiente, pero cuando se aplica calor, se produce una mezcla de productos de oxidación, en el caso de los compuestos hidrocarbonados cíclicos que rompen el anillo y forman compuestos dicarboxílicos.
ácidos carboxílicos. El núcleo de benceno por su naturaleza insaturada, de acuerdo a las condiciones puede reaccionar por adición cuando se trata con nCl 2 en presencia de luz o peróxido de benzoilo generando hexaclorociclohexano. Figura 1. Cloración del benceno catalizada por luz ultravioleta Materiales Tubos de ensayo Pipetas de 1 y 5 mL Espátula Termómetro Mechero Varilla de vidrio Gradilla para tubos de ensayos Papel aluminio Sustancias Cloroformo (CHCl 3 ) Tricloruro de aluminio (AlCl 3 ) (^) Ácido sulfúrico concentrado Bromo en tetracloruro de carbono Permanganato de potasio (solución al Acetona 2 %) Ciclohexano n-Heptano Ciclohexeno Tolueno Muestras Problema Procedimiento Pruebas de solubilidad Cada subgrupo de 2 estudiantes deberá consignar las propiedades físicas de los hidrocarburos según la información requerida en la hoja de resultados del presente informe, Tabla 1. a) Solubilidad en agua : colocar máximo 0,5 mL de cada muestra en tubos de ensayo rotulados. Agregar uno a uno, 2 mL de agua, agitar, dejar reposar, observar y registrar los datos: Soluble (S), Insoluble (I), Parcialmente soluble (PS). b) Solubilidad en ácido sulfúrico concentrado (H 2 SO 4 ) y frío : Colocar en uno de los 5 tubos de ensayos marcados 0,5 mL de H 2 SO 4 , adicionar gota a gota y con agitación 2 gotas de (^) cada hidrocarburo en el interior de los tubos con ácido, observar la solubilidad. Tener como precaución al momento de descartar la solución ácida, vaciar lentamente sobre agua fría y luego verter en el recipiente preestablecido.
Reactividad de los hidrocarburos Cada subgrupo debe completar la Tabla 2 de las propiedades químicas de los hidrocarburos según las siguientes indicaciones. a) AlCl 3 /CHCl 3 : mezclar 1 mL de cloroformo en un tubo de ensayo (limpio y seco) con dos gotas de hidrocarburo, agitar y agregar en otro tubo de ensayo 0,5 g de cloruro de aluminio anhidro^ (AlCl 3 ),^ sublimarlo^ por^ calentamiento^ en^ la^ llama^ directa^ y^ dejar^ enfriar, observar sobre (^) la superficie del sólido sublimado al contacto con la solución de cloroformo con cada hidrocarburo si hay aparición de alguna coloración, realizar un blanco respectivo para comparar. b) Bromo en tetracloruro de carbono al 4 % (v/v) , en la oscuridad y en la luz: Agregar 1 mL de cada uno de los hidrocarburos en tubos de ensayos identificados (limpios y secos), adicionar 5 gotas de Br 2 /CCl 4 al 4 % (v/v), agitar y transferir la mitad de la solución en otro (^) tubo de ensayo envuelto en papel aluminio para protegerlo de la luz; proceda a colocar los tubos envueltos en un lugar oscuro y los otros exponerlos durante 10 minutos a la luz del sol o una lámpara ultravioleta. c) Permanganato de potasio (KMnO 4 ) al 2 % (p/v) y frío: En un tubo de ensayo adicionar 5 gotas del hidrocarburo y agregar dos gotas de solución de permanganato de potasio (KMnO 4 )^ al^2 %^ (p/v)^ en^ agitación.^ Observar^ si^ se produce^ decoloración^ del^ color purpura del KMnO 4 entre 30 a 60 segundos después de la adición. Considere el ensayo negativo si no hay (^) decoloración a los 5 minutos siguientes de la adición. d) Combustión : utilizando la campana de extracción, colocar en una espátula unas gotas (máximo 3 gotas) del hidrocarburo. Colocarlo en la llama del mechero hasta la ignición, retirar del mechero y observar si la llama sobre el material en combustión es azul o luminosa (amarilla) y si se produce o no humo negro (combustión incompleta).
Preguntas: ¿Qué aspectos inciden en la solubilidad de los compuestos? Los factores que afectan la solubilidad son: la superficie de contacto, agitación, la temperatura y la presión. La superficie de contacto: al aumentar la superficie de contacto del soluto con el solvente, las interacciones entre estos aumentan y el soluto se disuelve con mayor rapidez, y favorece la pulverización de este. Agitación: al disolverse el sólido, las partículas de este deben difundirse por toda la masa del disolvente, este proceso es lento, y alrededor del cristal se forma una capa de disolución muy concentrada que dificulta la contaminación del proceso, al agitar la solución se logra la separación de la capa y nuevas moléculas del disolvente alcanzan la superficie del sólido. Temperatura: al aumentar se favorece el movimiento de las moléculas en la solución y con ello su rápida difusión; asimismo una temperatura elevada hace que la energía de las partículas del soluto sea alta y puedan abandonar con facilidad su superficie, disolviéndose. Algunos solutos son solubles solo en una cantidad definida de un solvente dado a determinada temperatura. La solubilidad de una sustancia aumenta con la temperatura. Si se enfría una solución saturada, la solubilidad disminuirá y precipitará el exceso de soluto. Presión en solubilidad de gases: la solubilidad aumenta cuando se incrementa la presión; al disolver un gas en un líquido, la solubilidad del gas es directamente proporcional a la presión. Los cambios de presión ordinarios no tienen gran efecto en la solubilidad de líquidos y de sólidos. ¿Cuál es la densidad de los hidrocarburos? ¿Deberían flotar o hundirse al mezclarse con agua? Los alcanos son los menos densos de los compuestos orgánicos. Todos los alcanos tienen densidades menores a 1g/mL. En cambio, los alquenos tienen una densidad un poco más alta que los alcanos; y los hidrocarburos aromáticos su densidad es de 0,874 g/mL a 20°C, es decir más liviano que el agua; por ejemplo, el benceno, al ser menos denso que el agua, flota cuando se mezclan con este, quedando en la parte superior del tubo, y el agua en la parte inferior. En general los hidrocarburos todos son menos densos que el agua, por lo tanto, todos flotan al mezclarse con el disolvente universal, y no son miscibles entre sí.
Actividad 2. Prueba de Baeyer Esta reacción sirve para identificar insaturaciones dobles o triples enlaces por lo que es alquenos y alquinos respectivamente. Parte experimental. A muestras por separados de los hidrocarburos: hexano(C6H14), hexeno(C6H12) y benceno(C6H6). Figura 3. Se tomo muestra de los hidrocarburos: 0,5 ml de hexano, lo mismo de hexeno, lo mismo de benceno, por separados (figura 2), se agregó a cada tubo de ensayo con las muestras 5 gotas de permanganato de potasio (KMnO4). (figura 3). El permanganato de potasio es un agente oxidante, que con esta reacción se logró identificar a las sustancias que contienen dobles enlaces o insaturaciones por lo tanto el benceno y el hexano no deben reaccionar a esta prueba. Después de todo ese procedimiento, luego de agregar las gotas de permanganato de potasio, se esperó unos minutos., para que los reactivos formen el producto que se pueda esperar. Luego de algunos minutos, el permanganato de potasio reacciono con el hexeno formando un precipitado de color café (figura 4), café que corresponde al óxido de manganeso con la reacción del hexeno, donde no hubo reacción del permanganato de potasio debe conservar su color violeta como en los tubos donde se agregaron los hidrocarburos hexano y benceno, (figura 5).
Figura 7. Hidrocarburos que no hubo reacción (hexano y benceno) con el permanganato de potasio y se observa su color violeta, el tubo de ensayo del centro fue el cual reacciono el hexeno con el permanganato de potasio formando un precipitado de color café. Figura 8. Resultados después de esperar unos minutos, su respectiva coloración en los productos. La prueba de Baeyer o el reactivo de Baeyer, denominado así en honor al químico orgánico alemán Adolf von Baeyer, es usado en química orgánica como una prueba cualitativa para identificar la presencia de insaturaciones causadas por enlaces dobles o triples entre carbonos adyacentes. El hexano no reacciono debido a que el reactivo de baeyer que en este caso es el permanganato de potasio (KMnO4), debido a que este hidrocarburo (hexano) es un alcano saturado, que contiene enlaces sencillos en su estructura, y el reactivo o prueba de baeyer (permanganato de potasio) es utilizado para hidrocarburos insaturados que contienen dobles o triples enlaces, donde se muestra en las figuras 5 y 6, donde se observa el color característico del permanganato de potasio.
Por otro lado, en los hidrocarburos aromáticos, en este caso el benceno, estos no reaccionan en la prueba de Baeyer, debido a su estabilidad, esto hace que, aunque tengan enlaces dobles no se forme un precipitado con la solución n acuosa de permanganato. ... ejemplo el antraceno (aromático tres anillos de benceno), Tampoco reacciona con permanganato de potasio en un medio de agua. Caso contrario en el hidrocarburo llamado alqueno que, si reacciono el permanganato de potasio, en una típica reacción oxidación, la cual se rompió el doble enlace y se adiciona dos grupos OH a la molécula, formando como lo que conocemos diol o glicol (se encuentra en las preguntas esta ecuación). La evidencia como se mencionó anteriormente es el óxido de manganeso de color café. (figura 4 y 5). Preguntas: ¿Qué familias de compuestos se identifican con la prueba de baeyer? Dioles Epóxidos Ácidos carboxílicos y cetonas Aldehídos Reacciones: C6H14 + KMnO4----- no reacciono C6H12 + KMnO4- - si hubo reacción C6H6 + KMnO4- - - no reacciono ¿Por qué el benceno no reacciona, aunque presenta enlaces dobles en su estructura? Esta respuesta se encuentra plasmada en el resultado y análisis Con esta prueba se logró identificar por medio del reactivo o prueba de baeyer la cual se utiliza con el permanganato de potasio, para identificar hidrocarburos insaturados, el cual puede romper por así decirlo enlaces dobles o triples en la molécula, como ocurrió con el hexeno, con el benceno no ocurrió lo mismo (motivo expuesto en el análisis de resultados. Esta prueba de baeyer nos es de gran importancia para nosotros como futuros docentes, que si llegamos a estar en un laboratorio podemos al llegar a esta experiencia, exponer el paso a paso de la importancia de la prueba de baeyer a la hora de identificar hidrocarburos insaturados.
Hexeno al reaccionar con el ácido sulfúrico. Figura 10. Obteniendo como resultado final por el rompimiento del doble enlace que el hexeno posee (Figura 11) Figura 11.
Los hidrocarburos son sustancias compuesta de carbón e hidrógeno. En los hidrocarburos alifáticos encontramos hidrocarburos saturados e insaturados, el hexeno y el benceno hacen parte de los insaturados, los cuales no reaccionan con agua, pero si con otras sustancias. En nuestro esperpento reaccionamos al hexeno con ácido sulfúrico, en el cual este ácido rompe las moléculas del doble enlace que le hexeno posee, convirtiéndolo en una nueva sustancia con nuevas propiedades, el nuevo producto obtenido es una sal. Preguntas: ¿Cuál es el nombre del producto final? El producto final obtenido es una sal. ¿Por qué el benceno no reacciona aún que presente doble enlace en su estructura cíclica? Esto es debido a que son estructuras químicas cíclicas planas que poseen un número máximo de dobles enlaces conjugados permitiendo así una amplia deslocalización electrónica en un sistema. En estudios se ha demostrado que los en alces entre átomos de carbono sucesivos son semejantes, es decir, no se puede distinguir entre enlaces simples y enlaces dobles, por esta razón es que en nuestro experimento en benceno no reacciona con el ácido, poseyendo el mismo enlace que el hexeno.
Figura 12. Tubos de ensayos con sus respectivas muestras (hexano, hexeno y benceno) en él. Figura 13. Momento en el que inician con la prueba de Beilstein para comprobar que las muestras, o sea los hidrocarburos no tienen halógenos en su estructura. Figura 14: Momento en el cual se agrega la gota de dibromuro (Br2) a cada tubo de ensayo con sus respectivas muestras.
Figura 15. Se observa en el tubo de ensayo del centro la muestra del alqueno (hexeno) con el bromo decolorado, a los lados se encuentran el hexano y el benceno colorados por el Br2. Figura 16. Tubo de ensayo con las muestras de hexano y Br2 puesta a la luz natural, que al cabo de unos minutos se decoloro.
Figura 20. Prueba de Beilstein a hexeno-bromo. Figura 21. Prueba de Beilstein a benceno-bromo La reacción más típica de los alcanos y los cicloalcanos es la halogenación, en la cual un átomo de hidrógeno se sustituye por un átomo halógeno para formar un haluro de alquilo (R- X), donde X es principalmente Cl y Br y un haluro de hidrógeno. La prueba de Beilstein se usa para detectar la presencia de halógenos (Cl, Br, I). los compuestos orgánicos que contienen bromo, yodo, cloro e hidrogeno se descomponen al quemarse en presencia de óxido de cobre para producir los correspondientes halogenuros. En esta actividad se utilizaron los hidrocarburos hexano, hexeno y el benceno, en los cuales se adicionaron a cada uno de ellos una gota de Br2 en sus respectivos tubos de ensayos, en el cual el alcano hexeno se decoloro al paso de uno minutos ya que los alquenos desarrollan reacciones de adición fácilmente, el hexano y el benceno no sé decoloraron, lo que significó que no hubo reacción positiva, porque se necesitaron catalizadores para que hubiera una reacción de halogenación, catalizadores como: el hierro (Fe) para el benceno y luz que en este caso la luz natural para el hexano. Luego de colocar al hexano al contacto con la luz y al pasar unos minutos este se decoloro lo que significa que, si hubo una reacción de halogenación, En el caso del benceno este no se decoloro con el catalizador (Fe), debido a que los aromáticos son más resistentes a este tipo de reacciones de halogenación a decolorar, pero se observa en
la figura 10 que el benceno si sufrió una reacción de halogenación a pesar de que no se decoloro como las demás muestras. Es de analizar que en esta actividad pudimos apreciar e identificar reacciones de halogenación mediante la prueba de Beilstein la cual se usó para detectar halógenos en nuestras muestras de hidrocarburos, la cual es muy gratificante para nosotros este tipo de reacciones identificarlas y esta prueba de Beilstein es muy utilizada en esta práctica de laboratorio, nos ayudara a detectar la presencia de un halógeno en las reacciones involucradas. Preguntas: ¿Por qué el alcano y el aromático requieren condiciones especiales para reaccionar y por qué el alqueno no? Para los alcanos y benceno la reacción es de sustitución y por esto es más lenta y necesita catalizador, mientras la reacción del reactivo de Bayer con alqueno y alquinos es una reacción de adición que ocurre con más rapidez. ¿Cuáles serían las ecuaciones químicas correspondientes a cada una de las pruebas?
