Trabajo Práctico de Química

 

 

Aromáticos - Colorantes y Pinturas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Introducción General

         

            La industria de los colorantes y pinturas presenta múltiples aspectos.  Químicamente hablando, la mayoría son derivados del benceno, es decir, pertenecen a la familia de los aromáticos.  Este trabajo desarrollará muy brevemente las diferentes clasificaciones de los colorantes según sus fórmulas químicas.

            Sin embargo, el aspecto fundamental no radica en su estructura sino en sus aplicaciones.  Resulta infinito nombrar todas los usos industriales y no industriales que se le pueden dar a las pinturas y colorantes.  A simple vista parecería que las pinturas arquitectónicas son la única frontera pero, en realidad, existen muchas variedades de pinturas industriales con carácterísticas específicas que desconocemos.

            Todo, absolutamente todo lo que nos rodea y posee color, desde una casa hasta una semilla, poseen colorantes que no sólo sirven para decorar, sino también le dan cualidades particulares que la definen.  Así queda definido el espectro de las pinturas y colorantes, el cual resulta muy interesante de analizar y estudiar. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Aromáticos

 

El Benceno

 

Benceno

 

Fue descubierto en Inglaterra, en 1825 por Faraday , quien lo aisló del gas de alumbrado.  En 1834, el alemán Mitscherlich lo obtuvo por destilación de ácido benzoico.   Hofmann descubrio , en 1845, que el benceno podía ser obtenido por redestilación del alquitran de hulla.   La determinación de su peso molecular fue establecida teniendoen cuenta la densidad de sus vapores , por el metodo de Meyer , obteniéndose un valor igual a 78.  La composición centesimal del benceno  C  92,3%  H 7,7%.

Con estos datos se pudo calcular la fórmula mínima que resulta entonces CH.

Dividiendo el peso molecular del compuesto por el peso molecular de la formula mínima se obtiene 6.  Entonces la fórmula molecular del benceno es C₆H₆.

 

Estructura de la molécula

 

La fórmula molecular del benceno no permite conocer la disposición de los átomos de carbono e hidrógeno en la molécula. Dicha estructura se deduce a partir de una serie de hechos experimentales.

Tratando al benceno con hidrógeno a presión, empleando  Ni como catalizador se obtiene ciclohexano.

 

Fórmula

 

 

Esto evidencia que la molécula de benceno sólo adiciona 6 átomos de H si se trata de un hidrocarburo de cadena abierta C₆H₆ tendría que adicionar 8 átomos para formar el hexano normal. C₆H₁₄.

Cuando el benceno se combina con cloro o con bromo da un solo derivado monohalogenado, lo cual significa que cada átomo de H guarda la misma relación con el conjunto de la molécula, o sea que la molécula es simétrica

En el año 1865, Kekulé propuso una estructura para el benceno, de acuerdo con los hechos experimentales, considerando uq elos átomos de carbono de la molécula adoptan la forma de hexágono regular, donde los seis átomos de C y los seis átomos de H se encuentran en un mismo plano.

 

 

Fórmula

 

 

Esta primera estructura propuesta por Kekulé fue objetada por no cumplirse la tetravalencia del C y .por no poder explicar la adición de seis átomos de H. Los inconvenientes se salvan si se introducen tres dobles enlaces conjugados.

 

 

Fórmula

 

 

 

Sin embargo, las estructuras con dobles enlaces alternados propuestas por Kekulé no explican de manera satisfactoria todas las propiedades del benceno. Por la existencia de los tres enlaces, el benceno tendría que producir todas las reacciones características de los alquenos; sin embargo, ésto no ocurre. El benceno no se oxida por el perganmanato de potasio ni se decolora por el agua de bromo.

Si su fórmula fuera la propuesta, también deberían existir dos isómeros bisustituidos en carbonos contiguos, uno con los grupos constituyentes en carbonos unidos por doble enlace y el otro en carbonos unidos por enlaces simples.

 

 

 

Fórmula

 

 

 

 

Sin embargo, la experiencia ha demostrado que existe sólo un isómero de este tipo.

Kekulé propuso como explicación que los dobles enlaces no son fijos, sino que pueden rotar, y que existe un equilibrio entre las dos formas, que no pueden ser aisladas separadamente.

 

 

Fórmula

 

 

 

La estructura de Kekulé para el benceno fue muy discutida, debido a que los químicos no podían concebir una fórmula con tres enlaces etilénicos, puesto que el compuesto era menos reactivo que los alquenos. En la actualidad , la teoría de la resonancia permite explicar el comportamiento del benceno.  La resonancia se manifiesta en las moleculas o iones que pueden presentarse por dos o mas formulas estructurales de aproximadamente  la misma energia y que difieren solo en la posicion de los electrones.

 

 

 

 

 

 

 

 

Se llama hibrido de resonancia a la estructura intermedia entre las diferentes que representan en una molecula.  Los enlaces entre los atomos de Carobono en el Benceno no constituyen una union ni doble ni simple, sino un estado intermedio.  Las formulas de resonancia mas probables para el benceno son :

 

 

 

 

 

 

 

En esta formula simplificada se sobreentiende que en cada vertice del hexagono hay un atomo de Carbono y otro de Hidrogeno.  Para que una molecula o Ion pueda ser considerada un hibrido de resonancia debe cumplir las siguientes condiciones :

·       Los nucleos de los atomos que la forman deben ocupar, en las distintas formulas el mismo lugar.

·       Solamente pueden diferenciarse en la distribucion de sus electrones.

·       Entre las diversas estructuras no debe haber una gran diferencia energetica.

 

Se admite que el benceno es un hibrido de resonancia devido a los siguientes hechos :

·       por medio de la difraccion electronica, se ha demostrado que la distancia entre C-C es de 1,54 A.  Mientras que para el enlace doble es 1,34 A.  Experiencas de medicion hechas con el benceno ponen en evidencia que la distancia entre C y C es la misma entre todos elos, igual a 1.39A promedio entre las distancias de un enlace doble y uno simple.

·       Cuando se hidrogena ciclohexeno, se obtiene ciclohexano.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Por medio de distintas experiencias se logra demostrar que el benceno no tiene una estructura definida, sino que es un estado intermedio entre las distintas estructuras posibles.

 

 

Pinturas

 

 

Industria de la pintura

 

El uso de recubrimientos organuicos para proteger las superficies es de la mayor importancia para preservar las casas, iglesias, monumentos y fabricas de un pais del ataque habitual de agentes atmosféricos.  La madera y el acero sin recubrir, o, como acostumbramos a decir “sin pintar”, son particularmente susceptibles al deterioro, en especial en las ciudades en donde el hollín y el dióxido de Azufre, aceleran el ataque.

Aparte de su acción puramente protectora, las pinturas, barnices y lacas aumentan enormemente, por su efecto decorativo, el atractivo o estetica de un conjunto de casas o el interior de una habitacion.  Este es un caso en que lka utilidad y el arte se dan la mano, y asi, en realidad, parte de la investigacion encaminada a la obtencion de pinturas de gran duracion para exteriores ha permitido a los fabricantes de pinturas artisiticas producir colores mas permanentes dedicados puramente al arte.

Historia

 

La industria del recubrimiento de superficies es en realidad muuy antigua.  El origen de la pintura se remonta a los tiempos prehistoricos, en los cuales los habitantes de la Tierra representaban en los muros de sus cuevas algunas de sus actividades.  Estas pinturas toscas consistían probablemente en tierras o arcillas coloreadas susoendudas en  agua.  Los egipcios, en tiempos muy remotos desarrollaron el arte de la Pintura, y aya en 1500 a.D. disponian de un gran número y variedad de colores ; hacia el año 1000 a.D. descubrieron los precursores de nuestros barnices actuakles utilizando resinas naturales o ceras de abejas como ingredientes formador de la pelicula.  Plinio refiere la fabricacion de albayalde partiendo de plomo y vinagre y es probable que este antiguo procedimiento sea semejante al viejo proceso de ablandez.  Sin embargo, solo ha sido en años mas recientes cuando a la industria de recubrimiento de superficies ha dado pasos agiganteados como consecuencia de la investigación científica.

 

Usos y economía

 

La fabricación de pinturas, pigmentos y barnices es una industria cuyas ventas anuales exceden los 2.500.000.000 de dolares, siendo sus productos de importancia vital para nuestra vida cotidiana.

 

 

 

 

 

La pintura:  Consideraciones generales.

 

•  Definición y Componentes

 

            Aunque para muchos pueda resultar obvio, la pintura es la dispersión de partículas sólidas de tamaño muy pequeño en un medio fluido que, a partir de diferentes mecanismos que se suceden en un determinado lapso, una vez aplicada se convierte en una película opaca y sólida.  Esta película cumple con funciones de protección, decoración o de modificación de la superficie tratada.

             

            La composición básica de una pintura implica cinco componentes fundamentales:

 

1.  Pigmentos.  Se trata de partículas sólidas mencionadas en la definición, insolubles en el vehículo en el cual se encuentran en suspensión.  Otorgan a la pintura el poder cubriente, el color, el brillo y son uno de los responsables de la duración de la película, ya que al absorber parte de la luz , impiden que ésta se deteriore.  En algunos casos poseen otras propiedades especiales como, por ejemplo, los pigmentos anticorrosivos.

 

2.  Cargas.  Son componentes que, si bien no intervienen en forma importante en otorgar a la pintura su color y poder cubriente, sirven, específicamente, para brindar otra variedad de propiedades especiales como ser:  porosidad, estructura adecuada para evitar la sedimentación, pintabilidad, facilidad de lijado, además de intervenir como destacado factor en el brillo del acabado.

 

 3.  Vehículo.  Denominado también polímeroo resina, es el medio fluido en el que, como dijimos, se encuentran dispersas las partículas de pigmentos.  Es el responsable de la formación de la película, así como de las propiedades de la misma.

 

4.  Solvente.  Se trata de un líquido volátil cuyas principales funciones son las de solubilizar el vehículo, conferir al conjunto la viscosidad adecuada para la aplicación y contribuir a su nivelación y secado, pero no interviene en la película una vez seca ya que un  buen solvente no debe quedar retenido en la misma.

 

5.  Aditivos.  Estos comprenden una variada gama de ustancias que actúan como importantes auxiliares mejorando las propiedades generales (antiespumantes, regulación del secado, etc.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Síntesis de pinturas

 

Componentes de una Pintura :

 

•  Agua (H₂O) [to : 100%] •  Bactericida y Fungicida  [0.2 % each]  •  Aniespumante (Colamil de Hoechst) [0.1%]  •  Dispersante [0.3%]  •  Surfactante [0.15%]  •  Dióxido de Titanio (TiO₂) [20%] •  CaCO₃ [15%] •  Talco [5%]  •  Agente espesante [poco] •  Látex [40%]  •  Agente coalescente [1%]

 

Preparación :

 

            Primero, se mezcla el agua con el fungicida y el bactericida.  Estos se utilizan para anular cualquier problema que pueden causar agentes biológicos sobre la capa de pintura.  Luego debe incorporarse el antifoam o antiespumante, sin el cual sería imposible la aplicación.  A continuación se debe añadir el surfactante y el dióxido de titanio y el CaCO_{3 ,} que son pigmentos extendedores.  El talco se incorpora para dar concistencia a la mezcla.  Llegado este punto, se debe agitar la mezcla aproximadamente media hora a término medio.

            A continuación es imprescindible el agente antiespesante, sin el cual la pintura resultaría muy viscosa.  Ahora, debe agitarse a 1500 RPM aproximadamente una hora y media.  Luego, al agregarse el látex, debe agitarse lentamente.  Finalmente, se incorpora el agente coalescente para unir todos los componentes.

De este modo se prepara una pintura arquitectónica standard del mercado.

  

 

•  Características

 

            Una buena pintura posee una serie de características en su comportamiento que son la clave de su eficiente resultado.  La pintabilidad es la propiedad que le permite extenderse con facilidad sobre la superficie, sin ofrecer resistencia al deslizamiento del pincel o rodillo.

            El poder cubriente es la propiedad que permite que desaparezca el color del fondo de una superficie con el menor número de manos posible.  Por otra parte, el rendimiento está determinado por el cociente entre la superficie pintada y la cantidad de pintura que se necesita para realizar correctamente el trabajo;  se lo expresa en metros cuadrados por litro y su cálculo es vital para la estimación de costos de una obra.

            La nivelación de una buena pintura deberá ser la adecuada para que, una vez aplicada, desaparezcan rápidamente las marcas del pincel o rodillo.  En caso de necesidad de una mayor dilusión deberá usarse el solvente indicado hasta lograr la viscosidad ideal.

            El secado debe cumplirse en un lapso razonable y de acuerdo a las siguientes etapas:  a) estar libre de polvo: al pasar el dedo en forma rápida y sin presionar, éste no se manchará ni dejará marca en la película;  b)  resistencia al tacto:  con una ligera presión realizada con el dedo pulgar, no quedará marca sobre la película o ésta desaparecerá al frotar suavemente con el dedo.; c)  ausencia de pegajosidad:  puede verificarse con una ligera presión ejercida con el dedo índice;  d) secado duro:  apoyando el dedo pulgar y haciendo presión al mismo tiempo que se gira en un ángulo de 90^o, no debe producirse alteración alguna en la película.  En todos los casos, debe tenerse en cuenta el tiempo de secado estipulado en el envase de cada uno de los diferente productos.

            Finalmente, la estabilidad en el envase que la contiene.  Es imprescindible que no sufra alteraciones ni forme capa demasiado gruesa en la superficie;  de producirse este fenómeno se deberá extraer dicha película con una espátula.  No debe espesarse ni endurecerse antes de ser aplicadas.  De ocurrir esto, debe bastar agitarla con los elementos apropiados para obtener en breve tiempo una mezcla homogénea.

 

• Clasificación

 

            De los distintos tipos de clasificaciones a partir de las cuales se agrupan las pinturas, hemos elgido el que tiene en cuenta el proceso de formación de la película (secado).  Como dijimos al principio, existe un solvente que se evapora y un vehículo que recubre los pigmentos y aditivos y los liga con la superficie sobre la que se pinta.  El tipo de solvente, el del vehículo y la forma de acercamiento de las moléculas del vehículo son los que determinan la formación de la película de pintura según las siguientes situaciones:

 

1.  Secado por evaporación de solventes

 

            Este proceso físico de evaporación del solvente es rápido, siendo en consecuencia una característica destacable en este grupo de pinturas:  se secado rápido, en general en menos de treinta minutos para el libre tacto.  Este es el caso de las lacas acrílicas y las nitrocelulósicas, las pinturas de caucho clorado y las vinílicas.

Dentro de esta clasificación se ubican las pinturas que, a la evaporación del diluyente, suman un proceso físico denominado coalescencia.  En este caso, el polímero (látex) no se encuentra disuelto en el medio líquido (agua) sino disperso en forma de pequeñas esferas sólidas, estabilizadas por distintos aditivos.  El proceso de secado puede explicarse así: las esferitas de látex -que es un sólido blando- se van aproximando cada vez más entre sí a medida que el agua se va evapoando, reduciéndose, por lo tanto, el volumen aplicado.  En la zona donde se tocan se unen mediante una ligera deformación y van formando la película.  Este fenómeno de unión física de las pertículas de látex entre sí es lo que se denominacoalescencia.  El vehículo (látex) no sufre posteriormente ninguna transformación química.

 

2.  Secado por oxidación

               

            En este caso, el polímero se encuentra disuelto en solvente (aguarrás), pero a diferencia del caso anterior, su peso molecular no es tan elevado como para formar una película dura sin necesidad de cambios.  Es así que el polímero debe sufrir una transformación que ocurre una vez aplicada la pintura a través de una reacción con el oxígeno del aire, en presencia de agentes catalizadores, ya incorporados a la pintura.  De esta manera, las moléculas pequeñas se unen entre sí adquiriendo una estructura similar a una red y alcanzando un peso molecular suficiente como para formar una película dura, continua y homogénea.  Estas características definen a las pinturas, esmaltes y barnices sintéticos y marcan la gran diferencia con las viejas pinturas “al aceite”.

 

3.  Secado por reacción química

 

            La formación de la película se produce por una reacción química a temperatura ambiente entre los componentes del vehículo.  Estos componentes pueden ser dos polímeros reactivos de bajo peso molecular o un polímero reactivo y un catalizador.  De esta reacción resulta un polímero de elevado peso molecular que forma una película de alta dureza y gran resistencia a los agentes químicos.  Para lograr la estabilidad de la pintura, estos componentes deben estar en envases separados, debiendo ser mezclados recién en el momento de la aplicación.  Son ejemplos de este grupo las pinturas epoxídicas y las poliuretánicas.

 

• Látex y esmaltes sintéticos

 

            En la clasificación anterior hemos definido en secado por evaporación de solventes y en secado por oxidación los dos tipos de pinturas más popularizadas en la construcción:  las pinturas al látex y los esmaltes y barnices sintéticos.

 

 

Empresas en Argentina

 

Destacadas Empresas en Argentina de Pinturas y afines:  Sherwin Williams - ICI

(Material Obtenido de Internet, Estados Unidos, y traducido del ingles por los alumnos).

 

Entre otras, podemos nombrar a:

 

-ICI

-ALBA

-IMPERIAL QUEMICALS INDUSTRY

-SHERWIN WILLIAMS (13%)

-SINTEPLAST (14 /15%)

-COLOR ÍN (6%)

-DAW

 

 

• Sherwin Williams

 

En 1997, la compañía Sherwin Williams celebrara su 131º aniversario de negocios.  Esta ubicada como la mas grande e independiente distribuidora de pinturas en los Estados Unidos, con ventas superiores a los 4.000 millones de dolares anuales. El Paint Store Group es el negocio de mas grande y rapido crecimiento de la compañía con ventas de 2000 millones de dolares.  La mayoría de las ventas estan distribuidas entre mas de 2100 franquicias en Norteamerica.  Estos negocios apuntan mas que nada a usuarios minoristas, profesionales, así como pintores mantenimiento industrial y cuentas comericales, e incluso consumidores hagalo-usted-mismo.  Es importante remarcar que caasi el 80% de sus ventas promedio son generradas en ventas al por menor.

Los productos más importantes incluyen recubrimiento arquitectónico, pintura para pared, cubrepisos, tratamineto para ventanas y aerosoles.  El Grupo también mantiene la reputación más alta en cuanto a organización industrial.

 

• ICI

 

ICI pinturas es uno de los más grandes proveedores de pintura y recubrimiento industrial, concentrada en tres mercados:

·      decorativos

·      terminación de vehículos

·      recubrimientos para comidas y envasados

 

Se pone un énfasis en el servicio al cliente, fuerte campaña publicitaria con innovadora  tecnología, lo que le dió a la empresa una posición líder en muchos países europeos.

En el mercado especializado de recubrimiento de comidas y latas ICI pinturas es un líder mundial.

Posee sucursales  en Latinoamérica, es decir en Brasil, Chile, Colombia, Guatemala, México, Venezuela y Argentina.

 

 

 

Colorantes

 

 

Clases químicas de Colorantes

 

 

 

• Nitro y nitroso compuestos

 

De los nitrocolorantes más antiguos, todavía se usa el amarillo ácido 1.  Actualmente los miembros más importantes de los colorantes nitrados son las nitrofenilaminas, que dan tonos amarillo, anaranjado y marrón.  Se preparan por reacción de una amina aromática con un nitrocompuesto aromático que contenga un halógeno reactivo.  Algunas de las nitrofenilaminas más simples se usan como colorantes dispersos para el acetato de celulosa y el nylon.

 

 

 

• Colorantes azoicos

 

Constituye el grupo individual más numeroso, comprendiendo más de la mitad del número de colorantes sintéticos de estructura conocida.  Se preparan por copulación de una amina aromática diazotada como componente primario con un fenol o una amina aromática como componente secundario.los colorantes azoicos pueden ser:

 

• monoazoicos [a su vez, éstos pueden ser: básicos (como el anaranjado básico 2, que se usa para teñir el cuero y el papel ); ácidos (como el anaranjado ácido 7, que se usa para teñir lana, seda, nylon, cuero y papel ); azoicos (que se emplean no sólo para el teñido sólido de la tela sino  también en el estampado); colorantes dispersos y solubles en aceite (como, respectivamente, el amarillo disperso 3 y el amarillo solvente 14 ); mordientes (como el negro mordiente 11); reactivo para las fibras (como el rojo proción)].

• diazoicos [que pueden ser : básicos (como el pardo básico 4 ); ácidos (como el negro ácido 1); directos para el algodón (como el rojo congo, el rojo directo 2 o el azul directo 2); desarrollados (como el negro desarrollado BH )].

• triazoicos (como el negro directo 38 )

• colorantes del estilbeno (varían entre el amarillo y el anaranjado)

•pirrazolonas (como el amarillo ácido 23, que se usa para teñir la lana, el cuero y el papel y en la preparación de filtros de luz amarilla para fotografía)

 

 

• Colorantes derivados del difenilmetano

 

Dan colores fuertes y brillantes.  El único que todavía tiene cierta importancia es el amarillo básico 2, que es empleado para teñir seda, en lana y nylon, y algodón y rayón mordentados con ácido tánico.

 

 

• Colorantes derivados del trifenilmetano