Test de carácter ácido de compuestos orgánicos
Test de carácter ácido de compuestos orgánicos
Álvarez, Melisa; Alarcón, Antonia
Laboratorio de Química Orgánica III, Departamento de Química
Universidad Tecnológica Metropolitana
1.0 Fundamentación teórica
Según la definición de bronsted-Lowry, un ácido es una sustancia capaz de donar un protón y una base es aquella capaz de aceptarlo; pero una definición más general es la que formuló Lewis, en la cuál se denomina base de Lewis a una sustancia que puede donar un par de electrones y a un ácido de Lewis a una sustancia capaz de aceptar un par de electrones.
La fuerza de cualquier ácido débil HA en agua se puede expresar con una constante de acidez, Ka:
Donde Ka también llamada constante de ionización ácida es la constante de equilibrio de la ionización de un ácido; cuanto mayor sea el valor de Ka, el ácido será más fuerte, es decir, mayor será la concentración de iones H+ en el equilibrio, debido a su ionización. Por lo tanto los compuestos con una pKa mas alta (o Ka más baja) son menos ácidos, mientras que los compuestos con una pKa mas baja (o Ka más alta ) son mas ácidos.
Alcoholes:
Los alcoholes contienen un grupo hidroxilo (-OH) enlazado a un átomo de carbono con hibridación sp3. Se clasifican en alcoholes primarios, secundarios o terciarios dependiendo del número de sustituyentes unidos al carbono que contiene al grupo hidroxilo.
Los alcoholes como ácidos débiles se disocian en solución acuosa donando un protón al agua, generando H3O+ y un ión alcóxido RO-
Los efectos inductivos también son importantes para determinar la acidez de los alcoholes. Los susutituyentes halógenos que son atractores de electrones, estabilizan un ión alcóxido dispersando la carga sobre un volumen mayor, hacen así que el alcohol sea mas ácidos disminuyendo su pKa.
Fenoles:
Los fenoles contienen grupos hidroxilo (-OH) enlazados anillos aromáticos.
Los fenoles como ácidos débiles se disocian en solución acuosa, donando un protón al agua, generando H3O+ y un ión fenóxido (ArO-)
Los fenoles son más ácidos que los alcoholes, porque el anión fenóxido esta estabilizado por resonancia.
Imagen obtenida de Química Orgánica - John McMurry 5ºEdición; página 662
Los fenoles sustituidos pueden ser más ácidos o menos que el fenol, dependiendo de los sustituyente . Los fenoles con un sustituyente atractor de electrones suelen ser mas ácidos porque dichos sustituyentes estabilizan el ión fenóxido por deslocalización de la carga negativa.Por el contrario, si el sustituyente es donador de electrones, los fenoles son menos ácidos dado que los sustituyentes desestabilizan el ión fenóxido por localización de la carga.
Acidos Carboxílicos:
Son compuestos que tienen en su estructura el grupo carboxilo (-COOH); como su nombre lo indica, los ácidos carboxílicos, son ácidos, por lo que se disocian en solución acuosa generando un protón y el ión carboxilato.
Imagen obtenida de Química Orgánica - John McMurry 5ºEdición; página 819.
Los ácidos carboxílicos son menos fuertes que los ácido minerales, pero son mucho más fuertes que los alcoholes, esto se debe a que el anión carboxilato, tiene a la carga negativa deslocalizada en dos átomos de oxígeno, por lo tanto es mucho más estable.
Imagen obtenida de Química Orgánica - John McMurry 5ºEdición; página 819.
El sustituyente que tenga el ácido carboxílico también influye en la acidez de éste; ya que si estabiliza el anión carboxilato respecto al ácido carboxílico no disociado, desplaza el equilibrio aumentado la disociación lo que aumenta la acidez. Entonces un grupo atractor de electrones estabiliza el anión carboxilato y aumenta la acidez, lo contrario ocurre con un grupo donador de electrones ya que desestabiliza al anión y disminuye su acidez.
Aminas:
Las aminas son las sustancias orgánicas neutras de mayor basicidad.
Los hidrógenos del grupo amino son debidamente ácidos, pudiendo ser arrancados con bases muy fuertes. Por otro lado el par libre del nitrógeno es accesible a la protonación convirtiendo a las aminas en bases aceptables, siendo éste su comportamiento más importante.
La basicidad de las aminas depende de los efectos inductivo y estérico. Así, el pKa sube con la longitud de la cadena carbonada (efecto inductivo)
La cadena carbonada cede carga al grupo amino, por efecto inductivo, aumentando su basicidad. La base fuerte tiene un ácido conjugado débil, por tanto el pKa sube. Pero si la cadena es muy voluminosa, comienzan a predominar efectos estéricos, que provocan una disminución del pKa.
CH3NH2 pKa=10.6
CH3CH2NH2 pKa=10.8
(CH3)3CNH2 pKa=10.4
Tabla con algunos ejemplos:
2.0 Procedimiento Experimental
2.1 Materiales y Reactivos
2.2 Preparación de solución
Se preparan soluciones acuosas de todos los ácidos carboxílicos, alcohol, el fenol y la amina en tubos de ensayo.
Primero se trabaja con los sólidos de la siguiente manera :
-Ácido Oxálico ( A ) : punta espátula + 6 ml agua
-Ácido Benzoico ( B ) : punta espátula + 6 ml de agua
-Fenol ( C ) : punta de espátula + 6 ml agua
Luego los líquido :
-Ácido acético ( D ) : 3ml + 3ml agua
-Etanol ( E ) : 3ml + 3ml agua
-Fenilamina ( F): 2ml + 4ml de agua
Cada una de estas 6 soluciones se divide en 3 tubos de ensayo cada una con cantidades similares; Ejemplo : Para el ácido Oxálico (A1 A2 A3) , Para el ácido benzoico( B1 B2 B3) etc.
Reacciones :
Ácido Oxálico + agua :
Ácido acético + agua :
Ácido Benzoico + agua :
Fenol + agua :
Etanol + agua
Fenilamina + agua
2.3 Comprobación carácter ácido con papel pH universal.
A través del cambio de color del papel indicador se puede observar el carácter ácido de la muestra y se puede hallar el pH aproximado de la solución.
Papel pH Universal
Paso 1 : Con los tubos de ensayos que tengan el numero 1 es decir, seis soluciones diferentes, y con la ayuda de un gotario, se coloca una gota de cada solución en una placa de toque.
Paso 2 : Se unta un papel pH distinto en cada gota de solución y se compara con los indicadores de pH.
Resultados:
Según el viraje de color del papel pH se ha obtenido lo siguiente:
Conclusión
Los compuestos que tienen mayor carácter ácido son los ácidos carboxílicos, siendo el más ácido el ácido oxálico, luego el ácido acético y por último el ácido benzoico.
El etanol fue menos ácido que el fenol ya que éste último tiene al anión correspondiente de la disociación estabilizado por resonancia haciéndolo mas ácido, por lo tanto:
Observación: Se ha puesto una amina para analizar su pH, debido a que tiene en su estructura 2 protones (que podrían ser donados), pero al ver su carácter ácido, se observa totalmente lo contrario, notamos con el pH obtenido que la fenilamina es una base prácticamente neutra. Es una base según lo planteado por Lewis y el par electrónico libre del Nitrógeno y al estar unido a un anillo aromático obtiene cierta estabilidad por resonancia, siendo así una base muy débil.
Se ha decidido no utilizar la fenilamina en los próximos test, por ser una base.
2.4 Comprobación carácter ácido con bicarbonato de sodio.
El bicarbonato de sodio es una base débil por lo tanto reacciona con ácidos relativamente fuertes, por lo que se ha descartado la fenilamina. Los ácidos carboxílicos al reaccionar con el NaHCO3 se observa el desprendimiendo de un gas. Mientras que el alcohol y el fenol no deberían reaccionar.
Ésta prueba sirve para distinguir los ácidos relativamente fuertes de los ácidos más débiles.
Paso 1: Preparar una solución al 5%p/v de bicarbonato se sodio en un matraz de aforo de 20.00 ml.
g NaHCO3 : 5.000 g x 20.00ml = 1.000g
100.0 ml
Paso 2: Con los tubos de ensayo que contengan el numero 2 agregar 1.000mL de la solución de bicarbonato de sodio.
Resultados
Al agregar NaHCO3 a cada uno de los ácidos carboxílicos (A2 B2 D2) se desprende un gas (burbujeo), en el ácido oxálico en mayor cantidad, luego el ácido acético, y muy poco en el ácido benzoico.
Al agregar NaHCO3 al fenol y al etanol no hubo reacción.
Conclusión
Al agregar el bicarbonato a las soluciones se produce una efervescencia por el CO2 liberado:
Reacciones:
Ácido Oxálico + Bicarbonato de sodio
Ácido Acético + Bicarbonato de sodio
Ácido Benzoico+ Bicarbonato de sodio
Observación: El NaHCO3 reaccionó en menor cantidad con el ácido benzoico que tiene un pKa=4.57 lo que la hace un ácido muy débil reaccionando muy poco, en cambio el ácido oxálico tiene un pKa = 1.25 y el ácido acético tiene un pKa = 4.20
El NaHCO3 con el fenol y el alcohol no reaccionó debido a que estos presentan un pKa=10 y pKa=15.9 indicando que no son suficientemente ácidos por lo que no reaccionarán con el bicarbonato que es una base débil.
2.5 Comprobación del carácter ácido de una muestra con KI/KIO3.
Paso 1 : Preparar una solución de Yoduro de Potasio 2% p/v en un matraz de aforo de 20ml
g KI = 2.000 g x 20.00ml = 0.400 g
100.0 ml
Paso 2: Preparar una solución de Yodato de Potasio al 2% p/v en un matraz de aforo de 20ml
g KIO3 = 2.000 g x 20.00ml = 0.400g
100.0ml
Paso 3: Con los tubos de ensayo que tengan el numero 3 ( A3 B3 C3 D3 E3 ) agregar 1 gota de yoduro de potasio al 2% y después agregar 1 gota de yodato de potasio 2%, luego 1ml de almidón.
Resultados 1
Al agregar el yoduro y el yodato de potasio, las soluciones con los ácidos carboxílicos se tornaron color amarillo-naranjo, esto es por la presencia del yodo; luego al agregar el almidón apareció un color azul-morado en los tres ácidos carboxílicos.
Al agregar el yoduro y el yodato de potasio, la solución de fenol y etanol no se torna amarillo-naranjo, lo que indica que no estamos en presencia de un ácido carboxílico.
Conclusión 1
Esta es una reacción característica de los ácidos carboxílicos, que produce yodo molecular, que reconocemos por la coloración azul que adquiere el medio de la reacción al agregarle una solución de almidón.
El ácido se combina con una mezcla de yodato de potasio, KIO3, y yoduro de potasio, KI, y se produce la siguiente reacción:
Y para verificar que se haya producido el iodo se agrega el almidón generando una coloración azul-violeta.
Resultados 2
Una vez identificadas las sustancias que corresponden a un ácido carboxílico comprobamos que existía presencia de yodo, ya que al agregar almidón los compuestos se tornaron azul oscuro. debido al complejo azul que forma el yodo con el almidón.
Conclusión 2
Lo que ocurre es la formación de un complejo ó, más bien, un producto en el que el yodo es absorbido por el almidón donde los átomos de yodo se encuentran alineados dentro del polisacárido de formade espiral.
El almidón no es coloreado de azul por el yodo en ausencia de yoduro.
Bibliografía
John Mcmurray 5ta edición
http://www.ugr.es/~quiored/qog/pk/aa.htm encontré los pka
http://www.uia.mx/campus/publicaciones/quimanal/pdf/tablasconstantes.pdf
http://www.slideshare.net/milena.rodriguez/diapositivas-439511
http://www.quimicaorganica.net/aminas-acidez-basicidad.html
http://www.quimicaorganica.org/aminas/aminas-propiedades-acido-base.html
http://www.fq.uh.cu/dpto/qf/docencia/pregrado/estruc_2/ir/descargas/7_ir_nitrogenados.pdf
http://www2.uah.es/gloria_quintanilla/Espectroscopiapg/IMAGES/Espectros-IR/PAGES/C-fenol_gif.htm
http://campus.usal.es/~licesio/TIF/IR/18.gif