1.- INTRODUCCIÓN
En esta práctica vamos a llevar a
cabo una esterificación empleando el método de Fischer. Utilizando como
reactivos ácido acético y alcohol etílico, vamos a obtener acetato de etilo,
empleando como catalizador ácido sulfúrico.
Para conseguir nuestro objetivo,
deberemos emplear técnicas de reflujo y recordar cómo se realizaba una
destilación.
2.- MATERIALES
Durante la realización de la práctica
se han empleado los siguientes materiales:
·
Matraz
·
Pipetas
·
Embudo
de decantación
·
Plato
poroso
·
Filtro
de pliegues
·
Columna
de destilación
·
Adaptadores
·
Columnas
de sujeción
·
Manta
eléctrica
·
Termómetro
Los productos que
usamos a lo largo de la práctica fueron:
·
Ácido
Acético (CH3-COOH)
·
Ácido
Sulfúrico (H2SO4)
·
Alcohol
Etílico (CH3-CH2OH)
·
Sulfato
Magnésico Anhidro (MgSO4)
·
Carbonato
de Sodio (Na2CO3)
3.- FUNDAMENTO TEÓRICO
La esterificación de Fishcer es un
proceso de formación de ésteres empleando un ácido orgánico y un alcohol, para
lo cual se necesita un catalizador ácido. Mientras que para la reacción vale
cualquier ácido carboxílico, los alcoholes deben ser primarios o secundarios,
es decir, no podemos emplear alcoholes terciarios ni fenoles, ya que dan un
rendimiento muy bajo. Como reacción general empleamos la expresión:
Que en nuestro caso concreto se
escribe como:
Este procedimiento presenta la
desventaja de que el equilibrio químico suele ser desfavorable, lo cual se
suele solucionar añadiendo en exceso uno de los reactivos, normalmente el más
económico, o también eliminando agua. Nosotros añadiremos alcohol etílico en
exceso y también añadiremos Sulfato Magnésico Anhidro para eliminar agua.
El mecanismo de la reacción es el
siguiente:
Uno de los protones (H+) del ácido
pasa al oxígeno del ácido carboxílico, después es atacado por un oxígeno del
alcohol. Un protón sale del catión hidroxonio a otra molécula de alcohol, con
lo que se forma un complejo activado. Se protoniza un grupo hidroxilo y se
forma un nuevo ion oxonio, que pierde una molécula de agua y se forma el éster.
El ácido
acético es un ácido orgánico presente en el vinagre. En disolución acuosa se
ioniza (pKa=4.8), lo cual le convierte en un ácido débil.
El etanol es un alcohol orgánico
incoloro e inflamable. Está presente en todas las bebidas alcohólicas y cabe
destacar que forma una mezcla azeotrópica con el agua cuando su concentración
es del 95%.
Entre sus propiedades destaca ser un
buen disolvente, desinfectante y anticongelante.
El etanoato de etilo es un líquido
incoloro miscible en hidrocarburos, cetonas, alcoholes y éteres, pero no en
agua.
Además del método de esterificación
de Fischer, podemos obtenerlo añadiendo al etanol el cloruro del ácido
etanoico. También podemos hacer reaccionar etanoato de plata con yoduro de etilo.
4.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
El objetivo de esta práctica es la
síntesis de acetato de etilo basándonos en la siguiente reacción:
Para lo cual vamos a tomar un matraz
de fondo redondo de 100 mL donde vamos a introducir 15 mL de ácido acético, lo
que equivale a 0,25 moles, y 20ml de etanol del 96%. Agitando el matraz se
añaden 2,5 mL de ácido sulfúrico y se coloca un refrigerante de reflujo,
calentado durante 40 minutos.
Pasado este tiempo, pasamos a la
parte de destilación, enfriando previamente el matraz para evitar pérdidas. En
el matraz se echa un trozo de plato poroso y se destila el acetato de etilo
calentándolo en una manta eléctrica.
Tras esto, se pasa a un embudo de
decantación con 10 mL de carbonato sódico. Agitamos para conseguir la
separación de las fases abriendo la llave del embudo para dejar salir al
dióxido de carbono. Una vez que se han separado las dos fases, despreciamos la
fase acuosa y dejamos secar el producto durante 15 minutos sobre sulfato
magnético anhidro.
Una vez que hemos eliminado toda el
agua, se filtra el líquido a través de un filtro de pliegues para separar el
sulfato magnésico. Se destila obteniéndose una única fracción de destilado.
Por último, se pesa el producto
obtenido para calcular el rendimiento a partir de la cantidad de ácido acético
inicial que hemos tomado.
5.- RESULTADOS EXPERIMENTALES
Los datos obtenidos en esta práctica han sido los siguientes:
§ Primera destilación
-
T
primera gota: 63°C
-
T
a la que lo hemos quitado: 80°C
§ Segunda destilación
-
T
primera gota: 62°C
-
T
a la que lo hemos quitado: 75°C
En la última parte de la práctica, para calcular el
rendimiento, tenemos que saber la masa de producto obtenido, pero antes vamos a
calcular el reactivo limitante para saber con qué reactivo realizamos la
estequiometría.
Según la reacción:
Partimos de 0,25 moles de ácido y de 20ml del alcohol, del
cual conocemos también la densidad. Con estos datos, calculamos los moles de
alcohol y vemos que éste es el reactivo que está en exceso, ya que los moles
obtenidos son 0,34.
Tomamos la masa del vaso de precipitados en vacío donde luego
vamos a colocar el tubo de destilación para, por diferencia, y junto con la
masa molecular del producto obtenido, poder calcular la masa obtenida.
m0= 141,016
gramos.
m1=161,943
gramos.
Mm acetato de
etilo= 88 gramos/mol
Moles obtenidos= (m1-m0)/Mm=
0,237 gramos
6.- CUESTIONES
1.- La constante de
equilibrio de la reacción de formación de acetato de etilo es 3.77 a 25°C.
Calcúlese el % de éster en equilibrio con los reactivos en las proporciones
molares utilizadas en esta experiencia.
2.- Formúlese el
mecanismo detallado de la reacción de esterificación de Fischer.
Se denomina esterificación al proceso por el cual se
sintetiza un éster. Un éster es un compuesto derivado
formalmente de la reacción química entre un ácido carboxílico y un alcohol.
Comúnmente cuando se habla de ésteres se hace alusión a los
ésteres de ácidos carboxílicos, substancias cuya estructura es
R-COOR', donde R y R' son grupos alquilo. Sin embargo, se pueden formar en principio ésteres de
prácticamente todos los oxácidos inorgánicos. Por ejemplo los ésteres
carbónicos derivan
del ácido carbónico y los ésteres
fosfóricos, de gran
importancia en Bioquímica, derivan del ácido fosfórico.
Los ácidos carboxílicos se convierten directamente en ésteres
mediante la esterificación de Fischer, al reaccionar con un alcohol en
presencia, por lo general de ácido sulfúrico concentrado o cloruro de hidrógeno
seco. Esta reacción es reversible y alcanza el equilibrio cuando aun quedan
cantidades apreciables de reactivo.
3.- Calcular el
rendimiento de acetato de etilo que se obtiene.
Esta pregunta ya ha
sido respondida en el apartado de Resultados Experimentales.
4.- ¿Por qué es importante recoger en la destilación sólo la
fracción que se destila enre 75-78°C?
Es importante recoger
sólo la fracción que destila entre 75 y 78 °C porque el acetato de etilo puro
hierve a 77 °C. Pero forma un azeótropo de punto de ebullición mínimo con agua
y también con etanol. Por lo que al recoger la fracción entre ese intervalo de
temperaturas, conseguimos una fracción con un alto porcentaje de acetato de
etilo.
La composición
expresada en % en peso, de estos los azeótropos que forma y sus puntos de
ebullición son los siguientes:
93,9 % de acetato de
etilo, 6,1 % de agua; p.e. 70,4 °C
69,1 % de acetato de
etilo, 30,9 % de etanol; p.e. 71,8 °C
83,3 % de acetato de
etilo, 8,9 % de etanol, 7,8 % de agua; p.e. 70,3 °C
5.- ¿Qué otros métodos
de esterificación pueden
utilizarse? ¿Qué ventajas e inconvenientes presentan?
Se pueden emplear derivados
del ácido con activos. Un ejemplo de este proceso es la formación del ácido
acetilsalicílico, componente fundamental de las aspirinas, que se obtiene a
partir del anhidruro del ácido acético y del ácido salicílico. En este proceso
no se libera agua, sino ácido acético, presentando la ventaja de que es más
fácil de separar que si fuera H2O.
También se puede emplear el cloruro del ácido (R-COCl) y el alcohol, empleando además piridina.
Ahora obtenemos ácido clorhídrico que reacciona con la piridina (C5H5N)
para formar hidrocloruro de piridina. No requiere el uso de temperaturas altas
(tiene lugar a temperatura ambiente) y no hace falta emplear ácidos o bases
fuertes.
Por último, se pueden llevar a cabo procesos de transesterificación, en los que un éster con un alcohol
forman un alcohol unido en forma de éster, para lo cual debemos emplear un
catalizador como el GeCl4.
6.- El espectro infrarrojo del acetato de etilo, ¿qué bandas
de absorción características presenta?
El espectro infrarrojo del acetato de etilo presenta tres
bandas de absorción características, como son la del doble enlace: C=O; el
enlace sencillo: C-O; y el éster: C-O-C.
El doble enlace se encuentra en la banda de 1750 cm-1,
el enlace sencillo en la de 1000-1300 cm-1 y el éster en la banda de
1250 cm-1.
7.- ¿Cómo sería su espectro RMN? Represente de forma
aproximada los desplazamientos químicos, áreas relativas y multiplicidad de
cada uno de los picos.
El espectro RMN del
acetato de etilo tiene un triplete de tres protones (C H 3 COOC H 2 C H 3
)
situado a 1.2 ppm; un singlete de tres protones (C H 3 COOC H 2 C H 3 )
a 1.9 ppm; y un cuarteto de dos protones (C H 3 COOC H 2 C H 3 )
situado 4.1 ppm.
8.- ¿A qué velocidades relativas es de esperar que
transcurran las siguientes reacciones de esterificación?
a)
CH3-COOH
+ n-C4H9OH
b)
C2H5-CH(CH3)-COOH
+ n-C4H9OH
c)
C2H5-CH(CH3)-COOH
+ sec-C4H9OH
d)
C2H5-CH(CH3)-COOH
+ terc-C4H9OH
e)
(CH3)3C-COOH
+ terc-C4H9OH
En la velocidad de
formación de ésteres influye la estructura ramificada de las moléculas así como
que los ácidos sean del mismo tipo molecular
Cuanto más ramificado
sea y mayor peso molecular tenga el compuesto, la velocidad de la reacción será
menor.
Según esto, las
velocidades relativas, atendiendo al peso molecular y a las ramificaciones que
presentan, responden a este orden:
E<D<C<B<A
7.- BIBLIOGRAFíA
http://www.quimica.es/enciclopedia/es/Esterificación/
http://es.wikipedia.org/wiki/Esterificación
http://es.wikipedia.org/wiki/Esterificación_de_Fischer-Speier
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ResponderEliminarLa actividad de las sustancias puras en estado liquido o solido es unitaria por ende no deben incluirse numericamente en la constante de equilibrio.
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