Práctica 1: Explosivos y reacciones violentas

Universidad Nacional Autónoma de México[pic 1][pic 2]

Facultad de Química

Laboratorio de química covalente (1510)

Semestre 2020-2

Apr/02/2020

Práctica 1: Explosivos y reacciones violentas

González Redonda Ana Luisa

Objetivo: Sintetizar de forma exitosa el triyoduro de nitrógeno y comprender el fundamento teórico detrás de la baja estabilidad del compuesto, así como la importancia del buen control de las condiciones experimentales.

Llevar a cabo de forma correcta una reacción violenta y comprender el fundamento teórico detrás de la misma, además de identificar los productos formados y entender el procedimiento experimental.

Resultados y análisis:

[pic 3]

Se analizará primero la reacción violenta. Se comenzó la reacción añadiendo monóxido de nitrógeno al tubo mediante una reacción entre virutas de cobre sólido y ácido nítrico en un matraz conectado con una maguera al tubo de reacción. En principio, debido a que el matraz tenía oxígeno, se formaba dióxido de nitrógeno, el cual se desechaba en una trampa de agua debajo del tubo. Cuando se terminaba el oxígeno del sistema, se comenzaba a producir monóxido de carbono. Una vez que se llenó el tubo con el monóxido de carbono, se añadió disulfuro de carbono, el cuál es un líquido muy volátil y es por eso por lo que se gasifica casi de forma inmediata al entrar en contacto con las paredes del tubo. Se realizó una mezcla de gases (se agitó el tubo) y se destapó por la parte de arriba, casi al mismo tiempo acercando una flama. El resultado de la reacción fue una explosión dentro del tubo, la cual hizo un sonido grave y con eco, parecido a un ladrido de perro (de ahí el nombre). La flama creció de manera considerable y tomó una coloración azul, sin embargo, esta no llegó hasta el fondo del tubo como se esperaba. En su lugar, sólo avanzó aproximadamente un tercio de este, como se observa en la figura 1. Debido a que el tubo era de medidas grandes (122 cm de largo, apróx.), resultaba un poco incómodo la manipulación de este, añadiendo que la presión de los gases al momento de añadir el disulfuro de carbono aumentó de forma considerable. Gracias a esto, no se pudo realizar una agitación apropiada y los gases no se mezclaron de forma óptima. Además, al momento de taparla parte de abajo del tubo, se debía tener por seguro que no había restos de agua en el sistema, y para hacerlo, se tubo que destapar un poco cuando se añadió el disulfuro de carbono. Esto pudo resultar en la pérdida de gas. El hecho de que la flama no hay tenido su máximo alcance se atribuye a estas dos acciones del procedimiento experimental.

Después de la ignición, las paredes del tubo quedaron impregnadas con un polvo amarillo, (como puede observarse en la figura 2) y un olor a huevo podrido. Este residuo es azufre, y es la mayor prueba de que se llevó a cabo la reacción. El azufre del disulfuro de carbono cambia a dióxido de azufre y azufre elemental, de acuerdo con la siguiente reacción:

[pic 4]

La flama se ve de color azul debido a las transiciones electrónicas del azufre, ya que pasa de un triplete (en CS2) a singulete (en SO2). Esta emisión se hace en el espectro de 310 a 490 nanómetros, que engloba a la longitud de onda de la luz azul (470 nm)1.

Con respecto a la síntesis de triyoduro de nitrógeno; se realizó el procedimiento experimental por triplicado, para tratar de tener un mejor control sobre las condiciones experimentales. El primer experimento se realizó sobre una parrilla de agitación, con calentamiento moderado (de 25 a 30 ºC). El segundo se realizó sin calentamiento, sin embargo, la parrilla seguía enfriándose del experimento pasado. Y el tercero se realizó sobre la parrilla a temperatura ambiente. Todos con agitación constante. Se obtuvo un polvo café-rojizo y se dejó secando la mayor cantidad de tiempo posible, en lo que se terminaba el experimento discutido anteriormente. Al momento de la detonación, ninguno de los tres productos detonó de la forma deseada. Se observó mayor detonación en el tercero y una nube de color rojiza-violeta muy sutil. En los primeros dos experimentos el sonido de la detonación fue menor y no se observó ninguna nube. Este comportamiento se atribuye a dos principales fuentes de error: la primera es que existe una probabilidad de que el producto no estuviera del todo seco, y eso provocó que la detonación fuera menor. Esta suposición tiene una desventaja explicando el comportamiento, ya que, si ese fuera el caso, la detonación del producto obtenido en el tercer experimento hubiera sido menor, debido a que tuvo el menor tiempo de secado de los tres. Pero funciona para explicar por qué la detonación no fue buena en ningún caso.

La segunda fuente de error se atribuye al calentamiento del sistema. Mientras más calentamiento se tuvo, menor fue la detonación del compuesto. Esto puede deberse a que, teniendo en cuenta que se utilizó hidróxido de amonio y este es tiene un punto de ebullición muy bajo (37.7 ºC)2, se pudo haber evaporado durante el proceso si la temperatura de la parrilla fue mayor a la que se tomó la lectura. Esto provocaría una menor eficiencia en la reacción. Las reacciones que describen el sistema son:

[pic 5]

[pic 6]

[pic 7]

De la ecuación (3) se observa que el producto final (triyoduro de nitrógeno) es un aducto, el cual tiene la función de estabilizar al compuesto. El amoniaco en la estructura estabiliza el tetraedro. Si no existiera ese amoniaco, el compuesto se descompondría fácilmente, ya que en enlace N-I es muy débil. Es por eso por lo que, si se evapora el hidróxido de amonio, el aducto no será formado con éxito y el producto se descompondrá fácilmente durante la reacción.

De la reacción (4) se observa la formación de otro producto (NHI2). Esta sal de amonio contribuye en -18 kJ/mol, lo cual aumenta el valor de ΔH, y hace que la reacción sea favorecida hacia productos, de acuerdo con el principio de Le Chatelier.

Por otro lado, la reacción de descomposición del producto está representada por la siguiente reacción:

[pic 8]

Se observa claramente que esta reacción da como producto yodo molecular, lo que explica la sutil nube de coloración rojiza-violeta.

Cuestionario:

1. ¿Cuál es el nombre del explosivo obtenido en el experimento 1?

R. Triyoduro de nitrógeno.

1. Plantee la reacción de formación del explosivo obtenido en el experimento 1.

R.[pic 9]

[pic 10]

1. Proponga la reacción de descomposición de este.

R. [pic 11]

1. Calcula la energía de los enlaces N-X aplicando la ley de Hess para los halogenuros NX3 (X=F, Cl, I)

1. Investigar la estabilidad que consigue el derivado yodado a través de su estructura y diga si esta estabilidad es suficiente para explicar por qué es posible sintetizar este compuesto termodinámicamente inestable.

R. La estructura del compuesto es polimérica que contiene un yodo como puente entre moléculas. El amoniaco puede entrar a la estructura y estabilizar el tetraedro, esto explica porqué es posible sintetizarlo bajo las condiciones experimentales mencionadas anteriormente. Si no se tuviera ese amoniaco, el compuesto se descompondría instantáneamente por la poca fuerza de enlace entre el yodo y el nitrógeno.

...