FUNDAMENTOS TEÓRICOS PROPIEDADES FÍSICAS

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1 Trabajo Práctico de Laboratorio N 1 Tema: Hidrocarburos OBJETIVOS Caracterizar los distintos tipos de hidrocarburos (alcanos, alquenos, alquinos y aromáticos) mediante sus propiedades físicas. Diferenciarlos, basándose en sus propiedades químicas. Justificar los comportamientos observados sobre la base de la estructura de los mismos. FUNDAMENTOS TEÓRICOS PROPIEDADES FÍSICAS Las propiedades físicas de los alcanos, cicloalcanos, alquenos y alquinos son consecuencia del hecho de que sus moléculas sólo presentan enlaces covalentes no polares, razón por la cual se mantienen unidas por medio de fuerzas débiles (fuerzas de Van der Waals) y de alcance limitado; sólo actúan entre partes de moléculas diferentes en contacto íntimo es decir, entre las superficies moleculares. Por lo cual esperaríamos que, dentro de una familia, cuanto mayor sea la molécula, y por consiguiente su superficie, más intensas son las fuerzas intermoleculares. Los procesos de ebullición y de fusión requieren vencer las fuerzas intermoleculares de un líquido y un sólido, las cuales se incrementan al crecer el tamaño molecular. Por lo tanto los puntos de fusión y de ebullición suben al aumentar el peso molecular de los hidrocarburos mencionados. Salvo para los homólogos más pequeños, el punto de ebullición aumenta de 20 a 30 grados por cada carbono que se agrega a la cadena. Sin embargo, una ramificación disminuye el punto de ebullición con respecto al isómero de cadena recta. Cuanto más numerosas son las ramificaciones, menor es el punto de ebullición correspondiente. Ilustración Los hidrocarburos 1 Los hidrocarburos extraídos extraídos directamente directamente de de formaciones geológicas en en estado estado líquido líquido se conocen se conocen comúnmente comúnmente con el nombre con el de petróleo, nombre de mientras petróleo, que mientras los que que se encuentran los que en estado se gaseoso encuentran se les conoce en estado como gaseoso gas se natural. les conoce La explotación como gas natural. comercial La explotación de los hidrocarburos comercial constituye de una actividad los económica de primera importancia, hidrocarburos constituye una pues forman parte de los principales actividad económica de primera combustibles fósiles (petróleo y gas natural), importancia, así como pues de todo forman tipo de parte plásticos, de ceras y los lubricantes. principales combustibles fósiles (petróleo y gas natural), así como de todo tipo de plásticos, ceras y lubricantes. Guía de Trabajos Prácticos de Laboratorio Catedra Química Orgánica y Biológica-Año

2 En particular, los cuatro primeros n-alcanos son gases, los trece siguientes (C 5 C 17 ) son líquidos y los de 18 átomos de carbono o más son sólidos. En lo que respecta a los alquenos y alquinos, en general, los cuatro primeros son gases y los de 5 a 10 átomos de carbono son líquidos. En cuanto a la solubilidad, siguiendo la regla empírica: una sustancia disuelve a otra similar, los hidrocarburos son solubles en disolventes no polares como benceno, éter y cloroformo, e insolubles en agua y otros disolventes fuertemente polares. Todos son menos densos que el agua. Los puntos de ebullición de muchos derivados del benceno se relacionan con sus momentos dipolares. Por ejemplo, el p-diclorobenceno simétrico tiene momento dipolar cero y el punto de ebullición más bajo, en comparación con sus isómeros meta y orto. Los derivados del benceno tienden a ser más simétricos que los compuestos alifáticos semejantes y, por lo tanto, se empacan mejor en los cristales y tienen puntos de fusión más elevados. El benceno y los demás hidrocarburos aromáticos son ligeramente más densos que sus análogos no aromáticos, pero son menos densos que el agua. Por lo general, los hidrocarburos aromáticos y los derivados halogenados son insolubles en agua, aunque algunos de los derivados con grupos funcionales muy polares (fenol, ácido benzoico, etc.) son moderadamente solubles en ella. PROPIEDADES QUÍMICAS Los alcanos son la clase menos reactiva de los compuestos orgánicos. No reaccionan con ácidos ni bases fuertes y son inertes frente a oxidantes como el permanganato de potasio y el dicromato de sodio. De allí el nombre de parafinas, atribuido antiguamente a estos hidrocarburos (nombre que proviene del latín: parum affinis sin afinidad suficiente ). Los alcanos solo dan reacciones de COMBUSTIÓN, con el O 2, y de SUSTITUCIÓN de uno o varios de sus hidrógenos por halógenos; reacción que se lleva a cabo a través de la generación de radicales libres, bajo condiciones vigorosas y da generalmente mezclas de productos. La reacción típica de los alquenos y los alquinos es la ADICIÓN ELECTROFÍLICA. En la misma se combinan dos moléculas para producir una Guía de Trabajos Prácticos de Laboratorio Catedra Química Orgánica y Biológica-Año

3 sola (por eso es una adición). Los electrones π de los dobles y triples enlaces están espacialmente más disponibles para reactivos buscadores de electrones (reactivos electrófílicos), que los electrones del enlace σ (por eso la adición es electrofílica). Así, entre otros reactivos, adicionan H 2, halógenos (X 2 ), halogenuros de hidrógeno (HX), H 2 O, etc. Como ejemplo práctico de este tipo de reacciones veremos la adición de halógenos. El Cloro o el Bromo convierten fácilmente a los alquenos en compuestos saturados que contienen dos átomos de halógeno unidos a carbonos adyacentes; generalmente el yodo no reacciona. La adición de bromo es sumamente útil para detectar el doble enlace carbonocarbono. Una solución de bromo en tetracloruro de carbono es roja; el dihalogenuro, al igual que el alqueno, es incoloro. La decoloración rápida del bromo en tetracloruro de carbono es característica de los compuestos con dobles y triples enlaces. Sin embargo los hidrocarburos aromáticos no la dan. Otra reacción de los hidrocarburos insaturados, que también permite diferenciarlos de los saturados y de los aromáticos, es la formación de glicoles, con permanganato de potasio (Reacción de Baeyer). KMnO 4 (dil) alcalino, frío 1,2-diol Cuando un alqueno se agrega a una solución acuosa de permanganato de potasio (color morado intenso), la misma cambia su color al café opaco del MnO 2. Los alcanos y los hidrocarburos aromáticos no dan esta reacción. Las reacciones características del benceno y de los compuestos que lo contengan implican sustitución, en la cual se conserva el sistema anular estabilizado por resonancia. Debido a la misma, los electrones π (que se encuentran por arriba y por debajo del anillo) están más involucrados en mantener unidos los núcleos de los átomos de carbono, que los electrones π de un doble enlace C C alifático; razón por la cual no dan reacciones de adición como los alquenos. De todas formas, y en comparación con los electrones σ, estos electrones π están relativamente sueltos y disponibles para un reactivo que busca electrones o Guía de Trabajos Prácticos de Laboratorio Catedra Química Orgánica y Biológica-Año

4 electrofílico. Por lo tanto las reacciones típicas del anillo bencénico son de SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMATICA. La sustitución electrofílica aromática incluye una amplia gama de reacciones: nitración, halogenación, sulfonación y reacciones de Friedel-Crafts, las cuales las experimentan casi todos los anillos aromáticos. Por otro lado los derivados hidroxilados del benceno dan una reacción particular con el FeCl 3 con el cual forman complejos coloreados que van del verde hasta el azul y del violeta al rojo, y estructuras inespecíficas; reacción que no dan los alcanos ni los hidrocarburos insaturados. PARTE EXPERIMENTAL Para llevar a cabo el presente práctico se usarán: Como fuentes de hidrocarburos saturados: - Gas natural: solo contiene los alcanos más volátiles, es decir, los de bajo peso molecular. Su composición aproximada es: 70% de metano, 10% de etano, 15% de propano y pequeñas cantidades de alcanos superiores. Sin embargo la misma varía dependiendo de la fuente de la cual se obtenga el gas natural. - Aceite lubricante: La fuente principal de alcanos es el petróleo del cual, por destilación, se obtienen diferentes fracciones de composición distinta, de acuerdo a su peso molecular. La fracción de aceite lubricante a menudo contiene grandes cantidades de alcanos de cadena larga (C 16 -C 34 ), con puntos de ebullición entre ºC. A veces se les llama aceites minerales porque se derivan del petróleo, al cual se considera un mineral. - Parafina: Es una mezcla purificada de alcanos de alto peso molecular con puntos de fusión muy superiores a la temperatura ambiente. Normalmente se la obtiene junto con el aceite lubricante del cual se la separa por enfriamiento. De esta manera cristaliza, precipita y se la separa por filtración. Si la misma permaneciera en el aceite, en días fríos podría cristalizar y obstruir los oleoductos. Hidrocarburos insaturados: - Isobutileno: Un alcohol se convierte en un alqueno por deshidratación: la eliminación de una molécula de agua. Esta reacción requiere la presencia de un ácido y calor como catalizadores. Guía de Trabajos Prácticos de Laboratorio Catedra Química Orgánica y Biológica-Año

5 ácido calor H 2 O alcohol alqueno agua Obtendremos el Isobutileno, en el medio de reacción, a partir de alcohol terbutílico el cual se deshidrata con mucha facilidad. - Acetileno: lo obtendremos en el medio de reacción a partir de carburo de calcio. CaC H 2 O H - C C - H + Ca(OH) 2 Carburo de calcio Acetileno cal hidratada - Aceite comestible: se lo usará para visualizar la presencia de compuestos con dobles enlaces, en una sustancia de uso común en nuestra vida diaria. La composición correcta de los aceites vegetales se estudiará más adelante en la asignatura. Hidrocarburos aromáticos: - Benceno y Resorcina (un derivado dihidroxilado del benceno) MATERIAL NECESARIO (POR GRUPO) REACTIVOS A USAR * Gradilla con 15 tubos de ensayos. * Sol. de KMnO 4 al 3%. * 9 pipetas de 5 ml (una por cada reactivo líquido). * Sol. de Br 2 en CCl 4. * Vaso de ppdos pequeño con parafina. * Sol. 0,5% de I 2 en etanol. * Vaso de ppdos pequeño con aceite lubricante * Sol. sobresat. de FeCl 3. * Vaso de ppdos pequeño con aceite comestible. * Alcohol ter-butilico. * 2 espátulas. * Ácido Sulfúrico. * 2 pinzas de madera. * CaC 2. * Benceno, Resorcina. TÉCNICAS Propiedades físicas A) Puntos de Fusión y de Ebullición Observe el estado físico de las sustancias provistas por la cátedra y, en cada caso, relaciónelo con la estructura molecular de los compuestos que las forman. Guía de Trabajos Prácticos de Laboratorio Catedra Química Orgánica y Biológica-Año

6 Consulte los datos de puntos de ebullición y de fusión que figuran en las tablas anexas y, en base a ellos, deduzca si esos estados físicos son los esperados. B) Solubilidad Tome una gradilla con 4 tubos de ensayos. En uno coloque 1 ml de aceite lubricante, en otro unos trocitos de parafina, en un tercero 1 ml de aceite de cocina y, en el último, 1 ml de benceno. Agregue 2 ml de agua a cada tubo. Agite y observe si alguna de las sustancias logra disolverse. Repita el ensayo usando como disolvente benceno, éter, cloroformo o CCl 4. Propiedades Químicas 1. Reacción de Baeyer: tome una gradilla con 5 tubos de ensayos conteniendo, cada uno, unos 3 ml de solución de KMnO 4 al 3%. Proceda con los mismos de acuerdo al siguiente detalle: Tubo 1: agregue, aproximadamente,1 ml de aceite lubricante. Tubo 2: agregue trozos pequeños de parafina. Tubo 3: agregue 1 ml de alcohol ter-butílico y luego LENTAMENTE unas gotas de ácido sulfúrico. Tubo 4: agregue un pequeño trozo de CaC 2. Tubo 5: agregue 1 ml de Benceno. En todos los casos explique y fundamente los resultados observados. 2. Reacción con Yodo: tome una gradilla con 5 tubos de ensayos conteniendo, cada uno de ellos, unos 2 ml de solución de Yodo en etanol al 0,5 %. Proceda con los mismos de acuerdo al siguiente detalle: Tubo 1: agregue 1 ml de aceite lubricante. Tubo 2: agregue trozos pequeños de parafina. Tubo 3: agregue 1 ml de alcohol ter-butílico y luego, LENTAMENTE, unas gotas de ácido sulfúrico. Tubo 4: agregue un pequeño trozo de CaC 2 y luego, LENTAMENTE, unas gotas de agua. Tubo 5: agregue 1 ml de Benceno. En todos los casos explique y fundamente los resultados observados. Guía de Trabajos Prácticos de Laboratorio Catedra Química Orgánica y Biológica-Año

7 3. Reacción con Bromo en CCl 4 : tome una gradilla con 3 tubos de ensayos conteniendo: Tubo 1: 2 ml de aceite lubricante. Tubo 2: 2 ml de aceite comestible. Tubo 3: 2 ml de benceno. Añada a cada uno 2 o 3 gotas de la solución de Bromo en CCl 4. Explique y fundamente los resultados obtenidos. 4. Reacción con FeCl 3 : tome una gradilla con 4 tubos de ensayos conteniendo: Tubo 1: 2 ml de aceite lubricante, aproximadamente. Tubo 2: 2 ml de aceite comestible, aproximadamente. Tubo 3: 2 ml de benceno. Tubo 4: unos cristales de resorcina + 1 ml de agua. Añada a cada uno unas 2 o 3 gotas de solución de FeCl 3. Explique y fundamente lo observado. ACTIVIDADES PARA EL ALUMNO 1 Elabore un cuadro comparativo de las propiedades físicas y químicas de los distintos tipos de hidrocarburos. 2 Qué reacción usaría para diferenciar los alcanos de los hidrocarburos insaturados? 3 Cuál reacción emplearía para diferenciar un hidrocarburo insaturado de uno aromático? Apéndice Preparación de solución de Br 2 en CCl 4 : Disolver 2 gr de Br 2 en 100 ml de CCl 4. PRECAUCIÓN! El bromo produce graves quemaduras. Preparación de solución de I 2 /KI: Adicionar 200 g de Yoduro de potasio y 100 g de Yodo a 800 ml de agua destilada, agitar hasta solubilizar los reactivos. Guía de Trabajos Prácticos de Laboratorio Catedra Química Orgánica y Biológica-Año