Resinas Fenol-FormaldehídoReporte de la práctica II

Laboratorio de Química Aromática

Docentes:M en C. Isaac Espinosa Santana y Lic. en Q. Tzarina Salomon Shehin

Alumno:Ibal Rodríguez Carlos Alexis

Cuarto Semestre Grupo: 4° B

Turno Matutino 11 de febrero de 2014

Universidad Autónoma de Nayarit Unidad Académica de Ciencias Químico Biológicas y Farmacéuticas

Resinas Fenol-Formaldehído

Objetivo general

Conocer las reacciones de condensación para la obtención de polímeros.

Objetivo particular

Obtener una resina fenol-formaldehido

Fundamentos y antecedentes

Las resinas de fenol-formaldehido son los polímeros sintéticos obtenidos por la reacción de fenol o fenol sustituido con formaldehido. Son utilizadas para la producción de placas de circuitos, encimeras de laboratorio, adhesivos y recubrimiento. Se consideran como las primeras resinas sintéticas comerciales.

Uno de los primeros polímeros industriales sintéticos derivados fue la bakelita, que se endurece con el calor. Empresas como la farmacéutica Baeyer han estudiado los procesos de síntesis de estas resinas alrededor de inicios del siglo XX. Su proceso de condensación del fenol con el formaldehído se efectúa con catalizadores ácidos o básicos.

Estas resinas fueron las primeras que se sintetizaron. Se obtiene por medio de reacción de fenoles y aldehídos, siendo el fenol y formaldehído los reactivos más importantes para esta síntesis. En específicas condiciones de pH y temperatura, tienen un gran efecto sobre el carácter de los productos obtenidos en las reacciones entre el fenol y el formaldehído. Existen tres etapas diferentes:

1) La adición inicial del formaldehído al fenol para dar metilfenoles.2) Crecimiento de la cadena mediante condensaciones y adiciones

alternativas a temperaturas por debajo de 100 °C.3) Reticulación y endurecimiento de las resinas a temperaturas por arriba de

100 °C.

Las diferencias que existen entre estas etapas dan productos de dos tipos de resinas formo-fenólicas, las novolacas y resoles.

Novolacas:

Se obtienen por la reacción del fenol y formal-aldehído en condiciones ácidas con exceso de concentración molar en fenol. Esta relación molar fenol-formaldehído es 1 (0.75-0.85) y su catalizador es el ácido oxálico.

Resoles:

Su obtención procede también por la reacción de fenol y formaldehído en condiciones básicas con exceso molar en el aldehído. Hay una relación molar fenol-formaldehído 1(1.2-3) y su catalizador usado es NaOH.

Para este experimento habrá formación de dos productos, la bakelita y el resolcinol.

La bakelita se realiza por el método Baekeland en proporción 2 a 3, el fordos comaldehído sirve como puente entre las moléculas de fenol, perdiendo su oxígeno por sufrir condensaciones sucesivas, mientras que las moléculas de fenol pierden sus átomos de hidrógeno en orto y para, de forma que cada formaldehído conecta con dos fenoles, y cada fenol con dos o tres formalhídozas, dando lugar a entrecruzamientos.

Estructura química de la baquelita

En exceso de fenol, la misma reacción de condensación da lugar a polímeros lineales en los que cada fenol sólo conecta con dos formaldehídos.

Materiales

1- probeta de 25mL. 1- vado de pp. De 250mL. 2- tubos de ensayo. 1- termómetro. 1- pipeta de 5mL. 1- vidrio reloj. 1- mechero.

1- agitador/vidrio. 1- vaso de pp. De 150mL. 1- espátula. 1- pinzas de tubo. 1- baño María eléctrico. 1- tela de asbesto. 1- anillo metálico.

Reactivos

Fenol 5gr (C6H6O) Punto de fusión: 40.5 °C Punto de ebullición: 181.7 °C

Densidad: 1.07 gr/mL

Prop. Físicas: Sólido cristalino con tono blanquesino a temperatura ambiente. No se considera un alcohol ya que su grupo funcional es Ar-OH.

Prof. Químicas: Es obtenido mediante la oxidación de cumeno.Su estructura es un anillo aromático (benceno) que tiene como sustituyente un grupo hidróxilo.

Toxicidad y riesgos:A niveles bajos de inhalación, causa efectos nocivos. Se inflama fácilmente, es corrosivo y sus gases son explosivos si tienen contacto con el fuego.

Usos: Era usado como antiséptico, pero por sus propiedades corrosivias fue suspendido porque causaba irritación de la piel. Actualmente se usa en desinfectantes y preparación de resinas.

Ácido sulfúrico (H2SO4) Punto de fusión: 10°C Punto de ebullición: 337°C Densidad: 1.8 gr/mLProp. Físicas:Líquido aceitoso incoloro, reacciona con el agua.

Prop. Químicas: Presenta una estructura piramidal. Los hidrógenos pueden disociarse, en agua se comporta como un ácido fuerte.

Toxicidad y riesgos: Es corrosivo, ocasiona daños en los riñones y pulmones, en ocasiones causa como detonante en cáncer. Causa irritación en los ojos, piel, tracto respiratorio y digestivo.

Usos: Es utilizado por la industria de los fertilizantes, también en la refinación del petróleo, producción de pigmentos, tratamiento del acero y extracción de metales no ferrosos.

Formaldehído 10 ml(H-CH=O)

Punto de fusión: -92 °C Punto de ebullición: -21 °C Densidad: 0.82 gr/ml

Prop. Físicas: A condiciones normales es un gas incoloro, olor penetrante, soluble en agua y ésteres.

Prof. Químicas: Se obtiene por oxidación catalítica del alcohol metílico.

Toxicidad y riesgos:Es muy volátil e inflamable. Su exposición prolongada puede causar edema pulmonar, shock y muerte por fallo respiratorio. Causa irritación en nariz, ojos, garanta, tos, flujo nasal, lagrimeo y dificultad respieratoria. Evitar ingestión

Usos: Se encuentra como componente natural de la miel. Es reponsable de la lluvia ácida.

Resorcinol 2 gr C6H4(OH)2

Punto de fusión: 110 °C Punto de ebullición: 277 °C Densidad: 1.28 gr/mL

Prop. Físicas: Sólido incoloro, soluble en agua con reacción ligeramente ácida.

Prof. Químicas: Es un reductor leve. Comparte varias características con el fenol. Se

Toxicidad y riesgos:Es tóxico, irrita la piel y los ojos, puede causar envenenamiento

Usos: Se emplea desde colorantes, fármacos como por ejemplo como

desprotona con mucha facilidad. Su estructura es un anillo aromático (benceno) con dos sustituyentes hidróxilos en forma meta.

sistemático al actuar como tóxico de la sangre y los nervios. También manifiesta fatiga, cianosis, convulsiones y hasta la muerte.

antiséptico dermal.

Glicerina 3 gotas C3H8O3

Punto de fusión: 18 °C Punto de ebullición: 290 °C Densidad: 1.261 gr/mL

Prop. Físicas: Alcohol con tres grupos hidróxidos. Se presenta en forma líquida a una temperatura a 25 °C

Prof. Químicas: Tiene un coeficiente de viscosidad alto, tiene un sabor dulce como los polialcoholes.

Toxicidad y riesgos:Produce náusea, vómito, diarrea, fiebre. Irrita el tracto respiratorio, la piel y los ojos.

Usos:Principal producto de la degradación digestiva de los lípidos. Aparece como producto de la fermentación alcohólica.

Procedimiento

OBTENCION DE LA RESINA FENOL-FORMALDEHIDO (BAKELITA)

En un tubo de ensayo coloque 5g de fenol, 5mL de solución de formaldehido (nota 1) y 2-3 gotas de ácido sulfúrico concentrado, mezcle y caliente en baño María hasta que la mezcla presente marcada viscosidad, enseguida pase el tubo a un baño de aceite (nota 3) y caliente lentamente hasta llegar a una temperatura de 120-130°C, mantenga esa temperatura (nota 4) hasta que la resina sea altamente viscosa y posteriormente deje que por enfriamiento solidifique. Ya endurecida la resina rompa el tubo de ensayo para recuperar la barra de bakelita formada la cual presenta una coloración amarillo opalescente o rojo vino (nota 5).

OBTENCION DE LA RESINA RESORCINOL-FORMALDEHIDOEn un tubo de ensayo coloque 2g de resorcinol, 5mL de solución de formaldehido y 3 gotas de glicerina, mezcle (nota 2) y caliente en baño de aceite a una temperatura de 80-100°C hasta que la mezcla sea altamente viscosa y solidifique.Ya endurecida la resina, golpee las paredes del tubo para recuperar la barra formada, cuyo aspecto es de color rojo vino.

NOTAS1) Se puede emplear solución de formaldehído al 36-38% o al 40%.2) Antes de iniciar el calentamiento añada 1 o 2 cuerpos porosos.3) Seque bien los tubos antes de introducirlos al baño de aceite.4) Evite que la temperatura rebase 140°C.5) La coloración depende de la temperatura a 120-130°C el polímero es de

color amarillo opalescente y a más de 140°C el polímero tiene una coloración rojo vino.

Bibliografías

BIBLIOGRAPHYGarcía Esteban, L., & de Palacios de Palacios, P. (2003). La madera y su anatomia. México D.F., México: Fundación Conde del valle de Salazar.

Liesa, F., & Bilurbina, L. (1990). Materiales no metálicos resistentes a la corrosion. Barcelona, España: Productica.

Marvel, C. S. (1962). Introducción a la química orgánica de las macromoléculas de síntesis. Madrid, España: Reverté S.A.

Observaciones

Reacción de Bakelita

Para la realización de esta práctica, primero se midieron 2.5 gr de fenol en una balanza granataria, este fenol se ingreso dentro de un tubo de ensayo junto con 3 gotas de ácido sulfúrico y 2.5 ml de formaldehido, obteniéndose una mezcla de color rosa con tonalidad transparente a esta mezcla le añadieron cuerpos de ebullición (piedras). Esta mezcla se puso a ebullición y agitación constante en baño María, al cabo de tiempo, la mezcla cambio su coloración, a un tono más blanquecino, al mismo tiempo que aumento su viscosidad, cuando llego a los 100 °C, el compuesto empezó a burbujear y se retiro del baño María.

Después, la mezcla se pasó a un baño de aceite, donde se introdujo la mezcla, mientras el aceite alcanzara una temperatura de entre 120 y 130 °C, conforme paso el tiempo, la mezcla se tornaba más viscosa y cambio su coloración a un tono rosado blanquecino, este compuesto se solidifico, presentando un sólido, cristalino y quebradizo con apariencia rígida. Una vez se obtuvo este compuesto se rompió el tubo contenedor para extraer el producto.

Reacción de Resorcinol

Para la realización de esta práctica, se pesaron 1 gr de resorcinol en una balanza granataria, y se introdujo en un tubo de ensayo junto con 2.5 ml de formaldehido y 3 gotas de glicerol, el compuesto se paso directamente a un baño de aceite y se mantuvo a la temperatura del aceite en un máximo de 100 °C, hasta que se solidifico.

Una vez se solidifico la mezcla, se pudo observar un compuesto solido, que presentaba una coloración café amarillenta, con una textura gomosa. Una vez se obtuvo este compuesto se rompió el tubo contenedor para extraer el producto.

Resultados

OBTENCION DE LA RESINA FENOL-FORMALDEHIDO (BAKELITA)

Para la formación de la bakelita, se introdujo un fenol, junto con formaldehido y acido sulfúrico, en el caso especifico de esta práctica, el acido es indispensable, ya que no solo se encarga de acidificar el medio, sino también de convertir al CH2O (formaldehido) en CH2OH, el cual reacciona con el fenol para formar un metilfenol (ya sea en posición orto o para), la formación de este nuevo compuesto requiere la adición de calor, el cual se da al calentar la mezcla a baño María, siendo este el primer paso.

Después se requiere endurecer el compuesto, para eso se requiere la formación de un polímero, es decir, se requiere que varias moléculas pequeñas, para la formación de las baquelitas, es necesario que varios compuestos diferentes se unan, formando diversos enlaces en diferentes posiciones, esto al final reúne sus moléculas libres (monomeros) y por consiguiente convierte a él liquido en estado sólido.

A temperaturas superiores a 160 ºC, empiezan a producirse otras reacciones como la formación de metilenquinonas, que dan origen a compuestos fuertemente coloreados.

OBTENCION DE LA RESINA RESORCINOL-FORMALDEHIDO

Para la formación de la resina de resorcinol-formaldehido, se introdujo el resorcinol, junto con formaldehido y la glicerina, en esta práctica, a diferencia de la baquelita de fenol-formaldehido, el medio acido ha sido sustituido por un medio básico, que es proporcionado por la glicerina, aquí, el resorcinol, que tiene 2 grupos hidroxilo, reacciona con la glicerina, para formar el ion fenoxido mas agua, esto conlleva que se forme trihidroximetil de fenol, el cual a su vez reacciona con los demás grupos formados, para formar la resina solida que, a diferencia de la resina de fenol-formaldehido, tienen una textura gomosa.

Formación de monómeros, de metilfenol, ya sea en posiciones orto y para Formación del polímero de bakelita

Conclusión Una vez realizado este experimento pudimos darnos cuenta de que los fenoles, pueden reaccionar dando productos desiguales en medios diferentes, específicamente para esta práctica, se utilizo a un fenol mas formaldehido, en medio ácido (utilizando acido sulfúrico) y un medio básico (utilizando glicerina), además tuvimos éxito en la obtención de estos productos, ya que pudimos obtener los 2 productos diferentes, lo cual nos ayuda a manipular la materia a nuestro alrededor, para obtener productos deseados por nosotros, ya que muchos de estos productos son utilizados en la industria, por ejemplo, la bakelita, que se utiliza para la realización de bolas de billar.

Otro aspecto de este experimento, son las diferentes texturas de los compuestos, ya que mientras en la bakelita de fenol-formaldehido era rígido, la resina de resorcinol-formaldehido era gomosa, esto se debe, a la estructura básica de ambos compuestos, ya que, si bien ambos presentan una estructura de sus moléculas desordenada y amorfa, la temperatura es proporciona un papel fundamental, por ejemplo, en la bakelita de fenol-formaldehido donde las moléculas presentan un grado de inmovilidad similar al de los sólidos cristalinos, dando como resultado un sólido amorfo en estado vítreo, mientras que el estado gomoso de la resina de resorcinol-formaldehido, se debe a la mayor movilidad molecular del compuesto

Cuestionario ¿Cuál es el mecanismo de reacción para obtener bakelitas y resoles por

medio de catálisis acida? R= Las resinas fenólicas se obtiene por medio de reacción entre fenoles y aldehídos, siendo que el fenol y formaldehído los reactivos esenciales.

En el caso de la bakelita, es en base con el proceso de Baekeland. Obtenida por la condensación del fenol con el formaldehído. Se inicia con la formación de un polímero lineal. En proporción de 2 a 3, el formaldehído actúa como puente entre las moléculas de fenol, perdiendo su

oxígeno debido a las condensaciones sucesivas. El fenol pierde entre dos o tres hidrógenos en patrón de sustitución en hidrocarburos aromático, de forma que los formaldehídos se conectan con los dos fenoles, dando un entrecruzamiento. Esta reacción da lugar a polímeros lineales.

Los resoles tienen una relación molar-formaldehído y está en proporción de 1 (1-3), empleando bajo condiciones básicas con exceso molar en formaldehído utilizando como catalizador NaOH. En una primera etapa se forma el anión fenolato con deslocalización de la carga negativa en las posiciones orto y para, ocurre una metilolación. Hay un incremento del peso molecular por condensación de los grupos metilo formando puentes éter, en este caso hay una pérdida subsiguiente de formaldehído con formación de puentes metileno: Estás reacciones son catalizadas por calor o por adición de ácidos a temperatura ambiente), se condensar gran cantidad de núcleo fenólicos para dar lugar a la formación de un resol.

¿Cuál es la función del ácido sulfúrico en la obtención de bakelita? R= Es empleado como catalizador, acelerando la reacción debido a que desprende calor para aumentar la velocidad de la misma, esta depende de la concentración molar de este ácido.

¿Por qué razón la resina resorcinol-formaldehído no requiere catalizador a diferencia de la resina fenol-formaldehído? R= Los catalizadores actúan como fuente de calor sobre la muestra, y es necesario que se mantenga un buen control de la temperatura y del tiempo de la reacción ya que puede ocurrir una desnaturalización del producto, a su vez influye en la estructura y distribución del peso molecular del mismo, afectado su estabilidad.

¿Cómo influye en la ecología del medio ambiente residuos de bakelitas, resoles y novolacas? R= Todos los derivados de estas reacciones, son termoestables y de difícil transformación, haciendo que su proceso de reciclado sea más arduo y permanecen mucho tiempo en el medio externo como material de desecho intratatado.

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Observaciones Resultado Conclusión Cuestionario

Diagrama de flujo

Bakelita

Resorcinol

Colocar en un T.E. 5 gr de fenol, 5 ml de sol. Formaldehído y de 2 a 3 gotas de ácido sulfúrico concentrado.

Mezclar y calentar a baño maría hasta que haya viscosidad, debe de pasarse a un baño de aceite y caliente hasta 120-130°C.

Mantenga esa temperatura hasta que la resina sea muy viscosa y dejar enfriar hasta solidicar. Ya enducerida romper el tubo de ensayo.

Recupere la barra de bakelita y observar su coloración.

Colocar 2 gr de resorcinol, 5 ml sol. Formaldehído y 3 gotas de glicerina todo en un tubo de ensayo.

Caliente a baño de aceite entre 80-100 °C hasta que haya una alta viscosidad y solidifique.

Ya endurecida, recupere la barra formada cuyo aspersor es de color rojo vino.