OBTENCION DE ACETILENO Y PROPIEDADES DE ALQUINOS Y ALCANOS

Pastrana Ayala Jhonny Steven(1324919)jhonny_9229@hotmail.com

Murillo Jefferson (1329774) Jefferson.murillo@correounivalle.edu.co

Universidad del Valle, Facultad de Ciencias Naturales y Exactas, Departamento de Química, Laboratorio de Química Orgánica

Fecha de Realización: 27 de febrero de 2015 Fecha de Entrega: 13 de marzo de 2015

OBJETIVOS

GeneralDeterminar las propiedades químicas de los alquinos y de los alcanos

EspecíficosAnalizar por medio de comparación cada reacción del acetileno y el hexano con diversos tipos de compuestos químicos en las mismas condiciones

INTRODUCCIÓN

El acetileno o etino es el alquino más sencillo. Es un gas, altamente inflamable, un poco más ligero que el aire e incoloro. Produce una llama de hasta 3000 °C, una de las temperaturas de combustión más altas conocidas, superada solamente por la del hidrógeno atómico (3400–

4000 °C), el cianógeno (4525 °C) y la del dicianoacetileno (4987 °C). [1].

la reacción de agua con carburo cálcico (CaC2); se forma hidróxido de calcio y acetileno, el gas formado en esta reacción a menudo tiene un olor característico a ajo debido a trazas de fosfina que se forman del fosfuro cálcico presente como impureza.1

CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2

Reacción del agua con carburo de calcio

ALCANOS: Los alcanos tienen la fórmula general, CnH2n+2 n=1,2, 3,…La principal características de los alcanos es que sólo presentan enlace covalentes sencillos. Los alcanos se conocen como hidrocarburos saturados porque tienen el máximo número de átomos de hidrogeno que puede unirse con la cantidad de átomos de carbonos presentes; se nombran con la terminación -ano. El alcano más sencillo es el metano. 2

Propiedades químicas: Son bastantes inertes debido a la elevada estabilidad de los enlaces C-C y C-H

y a su baja polaridad. No se ven afectados por ácidos o bases fuertes ni por oxidantes como el permanganato. Sin embargo la combustión es muy exotérmica aunque tiene una elevada energía de activación. 2

Las reacciones más características de los alcanos son las de sustitución:Los alquinos son hidrocarburos alifáticos, es decir, compuestos formados por átomos de carbono e hidrógeno los cuales cuentan con al menos un triple enlace entre átomos de carbono (-C≡C-), responden a la fórmula general CnH2n-2. Entre sus propiedades más llamativas se encuentra la capacidad de dar lugar a reacciones de adición y la facilidad que tienen éstos compuestos para ceder en forman de protón el átomo de hidrógeno enlazada al carbono del triple enlace, siendo por esto ácidos débiles. Las 3 primeras especies son gases y sus puntos de ebullición son relativamente altos por la presencia del triple enlace de carbono y el aumento de la cadena del mismo. Entre sus usos más conocidos está la fabricación de acetileno para la aplicación en soldadura, debido a lo eficaz de su combustión y la alta temperatura que puede ésta alcanzar.2

.

PROCEDIMIENTO

En la práctica se realizó el montaje experimental similar al de la figura (1), sin embargo se llevó directamente el gas correspondiente al acetileno a los tubos de ensayo; inicialmente se colocó cierta cantidad de carburo de calcio (CaC2) en el balón de 10ml con desprendimiento lateral se tapó con un tapón que lleva

insertado un embudo de adición lleno con agua, un soporte con pinza y una manguera.

Figura 1 (obtención de acetileno)

Se preparó cinco tubos de ensayos como lo muestra la tabla (1).

Tabla 1. Cantidades iniciales de los reactivos empleados para las reacciones con acetileno.

Tubo Compuesto Cantidad1 Agua de bromo 0.5±0.1 mL2 Permanganato de

potasio KMnO4

0.5±0.1 mL

3 Nitrato de plata 0.5±0.1 mL4 Cloruro de cobre 0.5±0.1 mL

Se conectó un extremo de una manguera al desprendimiento lateral del balón; en el otro extremo de la manguera se insertó Finalmente el tubo, Se tomó cuatro tubos de ensayo y a cada uno se le adiciono 0.2ml de Hexano, como lo muestra la tabla (2),

y se realizó las cuatro primeras pruebas efectuadas para el acetileno y observamos lo ocurrido en cada caso.

Tabla 2.Cantidades iniciales de los reactivos empleados para las reacciones con hexano.

tubo Hexano compuesto cantidad

10.2±0.1

mLAgua de bromo

0.5±0.1 mL

20.2±0.1

mL

Permanganato de potasio KMnO4

0.5±0.1 mL

30.2±0.1

mLNitrato de plata

0.5±0.1 mL

40.2±0.1

mLCloruro de cobre

0.5±0.1 mL

DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS

La adición de agua al carburo del calcio produce acetileno y cal hidratada (hidróxido de sodio). Ya que el carburo de calcio es una sal que proporciona el ion carburo que es doblemente negativo (:C≡C :) y por tanto es fuertemente básico y reacciona con agua para formar acetileno. En este tipo de reacción se presenta una sustitución por radicales libres. 2

Los resultados obtenidos en las reacciones del acetileno con los diversos compuestos se muestran en la siguiente tabla.

Tabla 3 reacciones del acetileno con compuestos

Compuesto CaracterísticaInicial

CaracterísticaFinal

Agua debramo

Amarillo Incoloro

PermanganatoDe potasio

Morado Café oscuro con

precipitadoAmoniacal de

Nitrato de plata

Incoloro Gris claro

Amoniacal deCloruro de

cobre

Color lechoso Color lechoso con

precipitado en el fondo

Cerilla encendida

Producción de llama con hollín

Finalmente, para determinar algunas propiedades químicas de los alcanos y comparar la reactividad frente a los alquinos se utilizaron los mismos reactivos mencionados anteriormente, pero, esta vez se mezclaron con hexano. Los resultados obtenidos se encuentran en la siguiente tabla.

Tabla 4. reacciones del hexano con compuestos

Compuesto Característicainicial

Característicafinal

Agua deBramo

Amarillo No hubo cambios en la

solución.Permanganato

De potasioMorado No hubo

cambios en la solución.

Amoniacal deNitrato de

plata

Incoloro No hubo cambios en la

solución.Amoniacal de

Cloruro de cobre

Color lechoso No hubo cambios en la

solución.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Los hidrocarburos son ciertos compuestos orgánicos que contienen hidrogeno y carbono, de acuerdo a su estructura se dividen en alifáticos y aromáticos. Los primeros se subdividen en alcanos, alquenos y alquinos, presentando propiedades químicas diferentes, dependiendo de sus tipos de enlace, hibridación y acidez.2

Los alquinos se caracterizan por el triple enlace carbono-carbono, con tres pares de electrones compartidos; presentando hibridación sp, estos orbitales se encuentran en una línea recta que pasa por el núcleo del carbono, por lo que el Angulo es de 180°. El miembro más sencillo de la familia de lo alquinos es el acetileno C2H2, una molécula lineal que tiene los cuatro átomos ubicados a lo largo de una línea recta, donde los enlaces carbono-hidrogeno y carbono-carbono son cilíndricamente simétricos en torno a una línea que une a los núcleos; por lo tanto, son enlaces σ. Mientras que el solapamiento de los orbitales p de un carbono con los del otro permite el apareamiento de electrones con lo que se forman dos enlaces π; obteniendo un enlace σ fuerte y dos π más débiles2. (Figura 2)

H−C ≡C−H

Figura 2. Estructura de la molécula de acetileno.

Para la preparación del acetileno, de acuerdo a la reacción 1. Se obtiene a partir de la acción del agua sobre el carburo de calcio (CaC2), produciendo un gas incoloro y desagradable.

Reacción 1. Reacción para la preparación de

acetileno2.

Al primer tubo de ensayo se realiza la reacción del acetileno con permanganato de potasio, basificada con NaOH, la solución presenta inicialmente una coloración morada, al reaccionar con el acetileno cambia a un color café oscuro con precipitado, indicando la oxidación el acetileno, hidroxilando cada uno de los enlaces π del alquino, dando lugar a la formación de sales de acido carboxílicos en este caso formiatos3; y siendo el dióxido de magnesio el responsable del cambio de color a cafe.

Reacción 2. Reacción del acetileno con

permanganato de potasio.4

Figura 3. Mecanismo de la reacción del acetileno con permanganato de potasio.

En el segundo tubo, se llevó a cabo la reacción del acetileno con agua de bromo, presentando inicialmente un color amarillo tenue, pero después desaparece quedando incoloro, llevando a la formación de una halohidrina. Este proceso es semejante a la que presentan los alquenos; se realiza una adición electrofilica, donde el bromo se une a los dos carbonos formando el ion bromonio cíclico, reaccionando con el agua para dar alcohol protonado2, obteniendo finalmente el 2-bromo etenol.

. Reacción 3. Reacción del acetileno con el agua de bromo.

Figura 4. Mecanismo para la formación de la halohidrina.

Aunque se debe de tener en cuenta que por tautomerización, la especia presente al tener una estructura enólica, se va dar una transposición del tipo ceto-enol debido a la polaridad del enlace O-H y la facilidad del hidrógeno para separarse del oxígeno, lo que hace que esta especia adquiera un carácter negativo; por lo tanto cuando se una otro hidrógeno ( puede ser el mismo) se va unir al carbono y/o al oxigeno; si se une al carbono éste

hidrogeno va a tender a quedarse ahí pero si se une al oxígeno puede separarse sin dificultad lo que hace que se vuelva a repetir el proceso hasta que se produzca con mayor proporción el Bromocetaldehído en éste caso.2

Figura 5.Tautomería ceto-enolicapara la formación de Bromocetaldehído

El tercer tubo corresponde a la reacción de acetileno con solución amoniacal de nitrato de plata que es incolora, el acetileno por ser un alquino terminal, da lugar a la formación de un acetiluro de plata (reacción 4) esta reacción se lleva a cabo a partir de un intermediario en donde uno de los carbonos se encuentra unido tanto al hidrogeno como el catión plata, sin embargo permite la desprotonación del acetileno por parte del ataque nucleofilico del amoniaco (figura 3).3

finalmente se evidencia la formación de un precipitado, debido a que el acetiluro de plata es poco soluble; también se puede observar que de acuerdo a la cantidad adicionada de la solución amoniacal de nitrato de plata se puede evidenciar uno o dos productos.

Reacción 4. Reacciones del acetileno con solución amoniacal de nitrato de plata.

Figura 6. Mecanismos para la formación de losacetiluros de plata.

Para el cuarto tubo de ensayo, se realizó la reacción del acetileno con solución amoniacal de cloruro de cobre (I); formando el acetiluro de cobre, donde se debería presentar un precipitado de color rojo ladrillo, pero no se obtuvo experimentalmente debido a que la solución inicial de cloruro de cobre presentaba un color lechoso, sino que se asentó al final del tubo, no permitiendo una reacción completa; dicha reacción debería seguir este proceso que da uno o dos productos de acuerdo a la cantidad de la solución amoniacal de cloro empleada:

Reacción 5. Reacciones del acetileno con solución amoniacal de cloruro de cobre (I)

Figura 7. Mecanismo para la formación del acetiluro de cobre

Se debe de tener en cuenta que los acetilenos internos no reaccionan con Ag+ y Cu+, ya que no tiene protones acetilénicos, permitiendo así determinar si el alquino es terminal o interno, debido a que el primero presenta la formación de un precipitado.3

Por último se le acerco una cerrilla encendida, por el extremo de la manguera por donde salía el acetileno e inmediatamente se produce una llama intensa, producto de la combustión, pero esta presentó hollín lo que hace que en éste caso se dé una combustión incompleta.(Reacción6)

2C2H 2+O2→4C+2H 2OReacción 6. Combustión del acetileno.

La comparación del acetileno, se llevó a cabo con un compuesto de la familia de los alcanos, que presenta enlaces sencillos C-H, hibridación sp3, presentando enlaces

σ siendo más fuertes que lo enlaces π. 2Para tal fin se utilizó el hexano.

Figura 8. Estructura del hexano.

El hexano se adicionó a cada uno de los compuestos utilizados anteriormente para el acetileno, sin mostrar ningún cambio, presentando la formación de dos fases en cada uno de los casos, siendo estos compuestos casi inertes para la mayoría de las reacciones.Para los dos primeros casos con permanganato y agua de bromo, no reacciono debido a que estos compuestos sirven para la identificación de compuestos insaturados, opuesto al hexano que es saturado con enlaces covalentes2.

Para los siguientes dos casos con solución amoniacal de nitrato de plata y cloruro de cobre, no se evidencia precipitados como en el caso de los acetilenos, ya que no presenta hidrógenos ácidos, debido a que la acidez de un enlace C-H varia con la hibridación, aumentando el carácter s de los orbitales: sp3< sp2<sp. Siendo el protón acetilénico más acido que un protón vinílico3.

Por lo tanto los alquinos son mucho más reactivos que los alcanos, debido a la disponibilidad de los electrones πsueltos y por su distribución espacial (plana) permitiendo ser más accesible

teniendo una mayor capacidad de entrada, además pueden consumir 2 moléculas de reactivo por cada triple enlace.

PREGUNTAS

1. Escriba las ecuaciones para cada una de las reacciones efectuadas en esta práctica.

Formación del acetileno

Ecuaciones de las reacciones relacionadas al acetileno

reacción con hexano

C2H6 + 2Br2 C2H2Br4

C2H6 + KMnO4 N.R

C2H6 + 2Ag (NH3)2NO3 R.N

C2H6 + 2Cu (NH3)2Cl R.N

C2H4 + 3 O2 2CO2 +

2H2O

2. ¿Cómo se obtiene el etileno en el laboratorio? Si el etileno se sometiera a los experimentos realizados en esta práctica, ¿cuál sería su comportamiento? Explique con ecuaciones.

El principal mecanismo utilizado para la síntesis de etileno es la deshidratación de etanol con ácido sulfúrico. El proceso consiste en la adición del ácido a una cantidad determinada del alcohol, calentada por un periodo de tiempo a una temperatura de 180ºC. El ácido aporta los protones para disociar el OH de la molécula, lo que genera una molécula de agua más el etileno que se desprende como gas, quedando una solución de ácido sulfúrico.

Reacciones con el etileno:

C2H2 + 2Br2 C2H2Br4

El etileno al reaccionar con agua de bromo, forma 1,1,2,2-tetrabromoetano

C2H2 +KmNO4 C2H2O4

El etileno al reaccionar con el permanganato de potasio, en medio básico, forma un diol, que en este caso es el etanodiol.

C2H4 + 2Cu (NH3)2Cl N.R.No reacciona (debido a que el etileno no tiene hidrógenos ácidos)

.C2H2 + 2Ag (NH3)2NO3 N.R. reacciona (debido a que el etileno no tiene hidrógenos ácidos)

C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O El etileno, al combustionar en presencia de oxígeno, se descompone formando dióxido de carbono y agua; por otro lado, si la combustión no es completa, se formaría monóxido de carbono, en vez de CO2.

3. La síntesis industrial moderna del acetileno se realiza por craqueo térmico del metano. Explique éste proceso.

El craqueo de los alcanos consiste en reducir estos compuestos para volverlos en unos de cadenas más corta. Esto se hace a muy altas temperaturas y bajo altas presiones. En el proceso, debido a las altas temperaturas, los enlaces Carbono-Carbono se rompen, formando así los compuestos de menor peso molecular y de cadenas más cortas. Debido a eso, los compuestos que se obtienen principalmente son alquenos, hidrógeno y otros hidrocarburos de bajo peso molecular.

El craqueo con metano consiste en calentarlo a una muy alta temperatura, en una atmósfera con poco o nada de oxígeno. Este proceso se hace bajo un rango de temperatura de 900°C a 1400°C, debido a que la reacción es

1400°C

Kj/mol

endotérmica; obteniéndose un rendimiento del 25% al 30%.4

La reacción que ocurre es la siguiente. 5

2CH4 H C CH + 3H2

H = 398

De esta reacción se obtiene principalmente, a parte del acetileno, hidrógeno y etileno. Para extraer el acetileno de esta mezcla de gases se usan disolventes como el dimetilformamido o el N-metil-2-pirrolidona y se hace por medio de disolución selectiva.

4. Los resultados estereoquímicas sugieren que la halogenación de los alquinos tiene 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 monos reactivos frente al cloro y al bromo que los dobles. Dibuje los intermediarios y explique este comportamiento.

Reacción con el acetileno

En presencia de cantidades equimolares de alquino y halógeno (cloro o bromo) se produce el haloalqueno

La halogenación de alquinos no es regioselectiva, porque se forman dos enlaces iguales

La halogenación de alquinos es estereoselectiva, al transcurrir a través de un ion halonio cíclico el proceso de adición da lugar al producto anti.

Reacción con el etileno

5. Con base en la pregunta anterior, complete la siguiente ecuación:

6. Proponga un mecanismo para la adición de agua al propino, catalizando con ácido sulfúrico y sulfato mercúrico.

El mecanismo que tiene el propino en éste caso es de una clásica hidratación de alquinos en presencia de un ácido y HgSO4; el cual su mecanismo es el siguiente:

Reacción 9: Mecanismo de hidrogenación del propino [1] [7]

Esta reacción se diferencia con la de los alquenos, en que el producto no es un alcohol sino que cetonas o mezcla de cetonas dependiendo esto de la estructura del alquino del que se parta; Siendo siempre, la forma enólica (-OH unido a un enlace C=C), la menos favorecida en el equilibrio debido a que en la forma enólica es un ácido más fuerte que la su forma cetónica( O=C), lo que hace que su hidrógeno sea más fácilmente desprendido. [1]

CONCLUSIONES

Los alquinos son más reactivos que los alcanos, debido a su geometría espacial (plana) y su nube electrónica π.

La formación de acetiluros de metales pesados como lo son el Ag+ y el Cu+, permiten identificar

si es un alquino terminal o interno.

La oxidación y la formación de halohidrinas permite la identificación de compuestos insaturados.

El acetileno puede obtenerse a partir del carburo de calcio mediante una reacción de hidrólisis

REFERENCIAS

[1]. carburo de calcioDisponible en: http://www.ecured.cu (Consultada el 10 de marzo de 2015)

[2] Morrinson R., Boyd N. “Química Orgánica” 5ta ed. Pearson, Boston U.S.A., 1959. Pp 75, 80,296, 334, 317-321; 420-421; 410, 414, 416

[3]. Wade, L. quimicaorganica, 5ta ed., Pearson educación S.A, Madrid, 2004; pp 374-377, 394-395

[4] Eduardo primo Yúfera“Química Orgánica Básica y Aplicada de la molécula a la industria Tomo 1” 1ra ed. Editorial Reverté, Barcelona, España, 1996. Pp 225-227

[5] McMurry J. “Química Orgánica” 7a ed. Cengage Learning, Mexico, 2008. Pp 265-266