Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas
Departamento de Ingeniería Química Industrial
Practica no. 11 “Dinitración del benceno” Nombre: Calixto Romero Martha Patricia
Profesor: Apolonia Villagrana Murillo
Materia: Laboratorio de Química Orgánica
Grupo: 3IM6
OBJETIVOS GENERAL En esta práctica el alumno conocerá la importancia de los compuestos aromáticos así como su obtención por medio de otras sustancias
ESPECIFICOS En esta práctica el alumno debe…
Definir el concepto de sustitución electrofilica aromática Desarrollar los mecanismos de la nitración del benceno
Diferenciar los procesos de nitración y dinitracion
Indicar los principales usos del nitrobenceno
Purificar el nitrobenceno por medio de una destilación por arrastre de vapor
Establecer las precauciones del uso del nitrobenceno
ALCANCES El alumno tendrá contara con el material de laboratorio adecuado así como con el estudio predeterminado de la practica
METAS Comprender el que y por qué de cada una de las experimentaciones llevadas a cabo y por qué actúan de esa forma
Investigación Bibliográfica Los químicos han considerado útil dividir todos los compuestos orgánicos en dos grandes grupos: compuestos aromáticos y compuestos alifáticos. Los significados originales de las palabras alifático (graso) y aromático (fragante) han dejado de tener sentido. Los compuestos aromáticos son el benceno y los compuestos de comportamiento químico similar . Las propiedades aromáticas son las que distinguen al benceno de los hidrocarburos alifáticos. La molécula bencénica es un anillo de un tipo muy especial. Hay ciertos compuestos, también anulares, que parecen diferir estructuralmente del benceno y sin embargo se comportan de manera similar. Resulta que estos compuestos se parecen estructuralmente al benceno, en su estructura electrónica básica, por lo que también son aromáticos. Los hidrocarburos alifáticos -alcanos, alquenos y alquinos y sus análogos cíclicosreaccionan principalmente por adición y sustitución por radicales libres: la primera ocurre en los enlaces múltiples; la segunda, en otros puntos de la cadena alifática. Vimos que estas mismas reacciones suceden en las partes hidrocarbonadas de otros compuestos alifáticos. La reactividad de estas partes se afectada por la presencia de otros grupos funcionales, y la reactividad de estos últimos, por la presencia de la parte hidrocarburos. En cambio, veremos que los hidrocarburos aromáticos se caracterizan por su tendencia a sustitución heterolítica . Además, estas mismas reacciones de sustitución son características de anillos aromáticos dondequiera que aparezcan, independientemente de los otros grupos funcionales que la molécula pudiera contener. Estos últimos afectan a la reactividad de los anillos aromáticos, y viceversa. Características de los compuestos aromáticos. Benceno
Propiedades físicas. El benceno es un líquido incoloro, móvil con olor dulce a
esencias. Es soluble en éter, nafta y acetona. También se disuelve en alcohol y en la mayoría de los solventes orgánicos. Disuelve al iodo y las grasas. Su densidad es de 0,89 gramos sobre centímetros cúbicos.
Punto fusión: 5,5 °C. Punto ebullición: 80°C.
Fórmula: C6H6. Peso molecular: 78 gramos. ENSAYOS EN EL LABORATORIO. Obtención de benceno.
En una capsula de porcelana se realiza una solución de 15 gramos de hidróxido de sodio en 15 ml de agua. Luego se agrega cuidadosamente, y agitando, 20 gramos de ácido benzoico. Se debe formar una pasta espesa. Se evapora el agua agitando continuamente y se pasa finalmente el producto obtenido a un mortero, donde se pulveriza rápidamente debido al carácter higroscópico de exceso de hidróxido de sodio presente. El producto obtenido se pasa a un matraz de destilación que tenga adaptado un refrigerante para destilar. Se calienta el balón cuidadosamente con llama directa, pasándola por debajo del mismo. Se destila de manera tal que primero destile el agua y luego el benceno. Se agrega cloruro de calcio para eliminar el agua y luego se destila nuevamente. Combustión. Técnica: Se colocan en una cápsula de porcelana 1 a 2 ml de benceno y se le
acerca una llama y se observa como procede la combustión. Observación.
Es incompleta; Abundante residuo carbonoso; Se desprende materia en suspensión; Arde fácil y activamente.
En resumen el benceno arde fácilmente con llama amarillenta y fuliginosa (que humea), debido a la gran masa de carbono que queda sin quemar. La ecuación que representa la combustión incompleta es:
C6H6 + O2
CO2 + CO + H 2O + C
Si en cambio, la reacción sería completa, se reemplazaría la ecuación anterior por: C6H6 + O2
CO2 + H2O
Comportamiento frente a los agentes oxidantes. Ensayo con permanganato (test de Baeyer). Técnica. A un tubo de ensayos que contiene 1-2 ml de benceno se le agregan 2 a
3 gotas de permanganato, en medio básico y en frío. Se observa la reacción. Observación. El ensayo es negativo. El permanganato no reacciona como en el
caso de los alquenos, debido a que las dobles ligaduras se encuentran deslocalizadas -como si no pertenecieran a ningún carbono-. Ensayo con agua de bromo en tetracloruro de carbono. Técnica. A un tubo de ensayo que contiene de 1-2 ml de benceno se le agregan
dos o tres gotas de agua de bromo en tetracloruro de carbono. Se observa la reacción. Observación. El ensayo es en este caso también negativo. No se observa
decoloración del agua de bromo. El núcleo es muy estable y no reacciona con el bromo, que es un electrófilo débil. -con el agregado de limaduras de hierro. En este caso las limaduras de hierro
catalizan la reacción, y ésta ocurre. El hierro reacciona con el bromo para formar FeBr 3, que es el realmente cataliza la reacción. Éste, reacciona con el bromo para formar una molécula acomplejada de estructura FeBr 4------ Br +, el que ataca al anillo como si fuera un ión bromonio. FeBr 3 + Br 2
FeBr 4- ----- Br +
La molécula de bromo complejada ataca al sistema de electrones pi del anillo de benceno, que actúa como nucleófilo, en un paso lento determinante de la velocidad -en la cinética total-, para formar un carbocatión no aromático intermediario. Éste, que es doblemente alílico, puede representarse en tres estructuras resonantes. Si bien, el carbocatión es estable comparado con otros conocidos, es mucho menos estable que el benceno del que se partió. La reacción tiene una alta energía de activación, y es relativamente lenta.
En sí, una reacción de sustitución aromática electrofílica se basa en reemplazar un hidrógeno por otro grupo (en este caso un bromo). Obtención de Nitrobenceno. Técnica. Se realiza la mezcla nitrante agregando 10 ml de ácido sulfúrico
concentrado a 10 ml de ácido nítrico concentrado, contenido en un matraz de 500 ml.. Se miden en una probeta 27,5 ml de benceno y se agregan 2 ó 3 mililitros del mismo a la mezcla nitrante. Se controla la temperatura de la reacción para evitar que esta supere los 50° C a 60 °C; en caso de que se supere esta temperatura se podrá enfriar la mezcla de reacción sumergiéndola en un baño de agua fría. Si en cambio, la temperatura bajo de los 50°C, se deberá calentar el recipiente para elevarla. Se repite la operación, agregando una nueva alícuota de benceno, y así hasta agotarlo totalmente. Se agita bien la mezcla durante diez minutos aproximadamente y luego se pasa a una ampolla de decantación para poder separar la fase ácido del nitrobenceno. Una vez separada la fase ácida se lava dos veces con agua y se la separa nuevamente. Mientras se prepara el aparato para destilar el benceno, se le agregan al matrás unos trocitos de cloruro de calcio (durante 15 minutos aproximadamente). Luego se destila en refrigerante al aire, recogiendo el destilado que pasó durante el rango de temperaturas de 200°C-215°C. NO se debe llevar a sequedad pues se destilaría el posible m-dinitrobenceno producido; a demás se corre el riesgo de que este último evolucione violentamente a temperaturas elevadas. PREPARACION DE NITRO-DERIVADOS AROMATICOS. Obtención de p-nitrobromobenceno. Técnica. En un tubo de ensayos se
prepara la mezcla nitrante mezclando 5 ml de ácido sulfúrico concentrado con 5 ml de ácido nítrico concentrado, y a continuación se le añade 1 ml de bromobenceno. Al agitar el tubo de ensayos, se produce una reacción exotérmica tal que no es necesario aplicar calor con un mechero o baño de vapor. Al poco tiempo el tubo comienza a enfriarse y luego aparece algo de p-nitrobromobenceno, primero en la superficie del tubo y posteriormente en toda la mezcla de reacción. El contenido del tubo se vierte en 75-100 ml de agua y los cristales se recogen por filtración en un embudo HIRSCH pequeño y se recristaliza en alcohol caliente. El producto recristalizado se seca en un trozo de plato poroso y se determina el punto de fusión. Preparación del m-dinitrobenceno. Técnica. Se prepara la mezcla nitrante
mezclando 5 ml de ácido sulfúrico concentrado con 5 ml de ácido nítrico concentrado. Luego se añade 1-2 ml de nitrobenceno y se calienta la mezcla hasta
cercanía del punto de ebullición durante 2 a 3 minutos. Luego se deja enfriar y se vuelca en 100 ml de agua con un trocito de hielo. Finalmente, se filtra y se recristaliza en alcohol caliente; se toma el punto de fusión. PREPARACION DE ACIDO BENCENSULFONICO Técnica. Colocar 300g de ácido sulfúrico fumante en un matraz de medio litro,
enfriar con agua y dejar caer lentamente 90 ml de benceno desde una ampolla de decantación, agitando en forma continua y circularmente durante 15 minutos aproximadamente. Una vez disuelto éste, se vierte el contenido del matraz en cuatro veces su volumen de una solución saturada de sal común mantenida en hielo. Se la deja reposar durante algunas horas y se filtra la sal sódica del ácido formado. Pulverizar y secar al aire y luego con estufa a 110°C. Calcular el rendimiento.
Desarrollo experimental Diagrama de bloques DINITRACION DEL BENCENO
Preparar mezcla
Vaciar mezcla en matraz con 10 ml. De nitrobenceno
Poner en reflujo 30 min a 100°C
Dejar enfriar y preparar un choque termico
Efectuar el choque térmico
Filtrar
12ml. H2SO4 12 ml. HNO3
Desarrollo de la práctica MATERIAL Y EQUIPO 2 Vasos de precipitados Matraz de bola Tripie Mechero Baño María 2 probetas Condensador Pinzas Espátula Manguera Racket Agitador
Procedimiento i.
Colocar en un vaso de precipitados 12ml. De acido nítrico y agregar 12ml. De acido sulfúrico lentamente controlando la temperatura en un baño de agua-hielo 20-25°C
ii.
A la mezcla sulfónica preparada agregar 10ml. De nitrobenceno, agitando constantemente
iii.
Colocar a reflujo hasta la temperatura de ebullición del agua (100°C) durante 30min
.
iv.
v.
Dejar enfriar la mezcla y vaciarla poco a poco en un vaso de precipitados conteniendo agua helada
Filtrar el m-dinitrobenceno y hacer lavados con agua fría
MECANISMOS REACCION GLOBAL
MECANISMO 1.
2.
3.
4.
5.
ANALISIS DE RESULTADOS En esta práctica analizamos lo siguiente
Aunque nuestra muestra en el reflujo salieron los gases color c afé no se cristalizo adecuadamente
Según nuestro análisis esto se debe a que en nuestro producto final no se hizo adecuadamente el choque térmico
Además de que en nuestro producto todavía se contaba con la presencia del nitrobenceno y este impedía el cambio de fase en la parte aceitosa para establecerse en cristales
Parámetros de control
Temperatura Tiempo de reacción Concentración
Indicios de reacción
Olor Cambio de cloración textura Aspecto
Propiedades Físicas. Peso molecular: 168.11 g/mol. Punto Flash: - °C. Temperatura de ignición: - °C. Presión de vapor: < 1 mmHg a 20 °C. Solubilidad en agua: - g/ 100 ml. En caso de incendio extinguir con:
Agua.
Dióxido de carbono o químico seco.
Procedimiento de descarte. El descarte de químicos es regularizado bajo algunas leyes federales, estatales y locales. Estas autoridades deberían ser consultadas antes de que cualquiera de las siguientes disposiciones sean implementadas. Además, estos procedimientos son diseñados para pequeñas cantidades (menos de 10 ml) y no deberían ser usadas para descartar cantidades mayores. Cuando las reacciones químicas son usadas para alterar químicos antes del descarte, el mismo cuidado debe ser tomado como en la producción de estos reactivos. T odos los parámetros que afectarían la reacción deben ser considerados, para que la reacción pueda ser llevada a cabo de una manera segura y controlada. Las instrucciones dadas para el descarte de las reacciones deben ser seguidas correctamente. Las reacciones deben ser llevadas a cabo usando equipos apropiados de laboratorio con el debido cuidado de la seguridad. Deben ser usados equipos protectores personales y ventilación adecuada. Las reacciones deben ser realizadas cuidadosamente en pequeña escala usando bajas concentraciones de reactivos (menos del 10%) y no más del 50% del volumen del recipiente. Cuando grandes cantidades de material tienen que ser descartadas, diversas reacciones de escalas pequeñas deben ser llevadas a cabo. Para asegurar la finalización de la reacción, la mezcla de la reacción debería mantenerse por ocho horas antes del descarte final.
Se recomienda realizar el siguiente procedimiento para este producto: Absorber la mezcla sobre una mezcla de absorción inerte con carbonato de sodio y óxido de calcio. Envolver en papel y quemar en un incinerador equipado con un posquemador y un depurador. Rotular el embalaje con:
Venenoso. Usos.
Es empleado en la fabricación de tinturas y otros productos químicos.
Daños a la salud.
Alto: Una exposición corta puede provocar un daño mayor, el cual puede ser permanente o temporario. Grado de inflamabilidad.
Menor: El material debe estar en contacto con una llama de iniciación para comenzar la combustión. Reactividad.
Extrema: Rápidamente explosivo bajo condiciones normales. Riesgos en la salud.
Altamente Tóxicos.
Inhalación
Ingestión
Tóxicos.
Absorción por la piel Otros efectos:
Peligros de efectos acumulativos.
Sustancia que afecta al sistema nervioso.
Almacenamiento y manipulación.
No almacenar cerca de agentes oxidantes. Ejemplos: nitratos, clorato, etc. Explosivo - puede detonar. No almacenar cerca de bases fuertes (cáusticas).
Primeros auxilios.
Ojos.
Si el químico penetra en los ojos, inmediatamente lavar los ojos con abundante agua; ocasionalmente levantar el párpado superior y el inferior . Tomar asistencia médica inmediatamente. Las lentes de contacto no deben ser usados cuando se trabaja con este químico. Piel.
Si este químico toma contacto con la piel, inmediatamente lavar la piel contaminada con jabón o detergente suave y agua. Si este químico se absorbe por la ropa, rápidamente sacársela y lavar la piel con jabón o detergente suave y agua. Recibir atención médica rápidamente. Inhalación.
Si una persona aspira en grandes cantidades este químico, llevar a la persona expuesta a un lugar con aire limpio en forma inmediata. Si la respiración se ha parado, practicar respiración artificial. Mantener a la persona afectada caliente, y en reposo. Recibir atención médica tan rápido como sea posible. Ingestión.
Cuando este químico ha sido ingerido y la persona está consciente, inmediatamente darle gran cantidad de agua. Después de que el agua haya sido ingerida, tratar de que la persona vomite haciendo que toque con sus dedos el fondo de su garganta. No intentar que una persona inconsciente vomite. Recibir atención médica urgente.
CUADRO COMPARATIVO REACTIVOS Nitrato de H2SO4 benceno Liquido Propiedades Físicas amarillento Liquido Olor Edo. Físico y color aromático Incoloro
PRODUCTOS
HNO3 dinitrobenceno Liquido
solido
Incoloro
Amarillo
Peso Molecular
123.1
98.08
63.01
168.11
Punto de ebullición
216
338
83
--
Punto de fusión
6
10.36
-42
--
1.841 +++ fría +++ caliente
1.5027 +++ fría y caliente
1 mmHg a 20°C
---------Ingestión Inhalación
++ éter Altamente corrosivo
--
Densidad
1.2g/ml
Sol. Agua
0.2
Sol. Solvente
--
Toxicidad
inhalación
-g/100ml
Inhalación
Conclusión Este grupo de reacciones permite introducir una amplia variedad de grupos en el anillo aromático y por tanto nos dan acceso a la síntesis de un gran número de compuestos aromáticos que no serían disponibles de otra forma. Todas estas reacciones involucran el ataque del anillo bencénico sobre una especie deficiente en densidad electrónica (electrófilo). Un ejemplo típico de estas reacciones es la obtención de nitrobenceno, en la que el agente nitrante (ión nitronio se prepara a partir de ácido sulfúrico y ácido nítrico concentrados.
