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Universidad de San Carlos de Guatemala

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Química

Área de Química

Laboratorio de Química Orgánica 1

Sección “A”

Impartido por: Inga. Mercedes Roquel

QUÍMICA DEL CARBONO

SECCIÓN PONDERACIÓN Nota

1. Resumen 10

2. Objetivos 5

3. Marco Teórico 5

4. Marco Metodológico 5

5. Resultados 15

6. Interpretación de Resultados 30

7. Conclusiones 15

8. Bibliografía 5

9. Apéndice

9.1 Datos Originales 1

9.2 Muestra de Cálculo 5

9.3 Datos Calculados 4

NOTA

Luis Emilio Garcia Laj

Guatemala, martes 10 de diciembre del 2 013

Fecha de revisión: _______________ Nota: ________ Firma:________________

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ÍNDICE

RESUMEN 3

OBJETIVOS 4

CAPÍTULOS

I. MARCO TEÓRICO

Química del Carbono 5

Carbonización de materia orgánica 5

Calcinación 6

Deshidratación del azúcar 6

II. MARCO METODOLÓGICO

Algoritmo de la práctica 7

Diagrama de flujo 8

III. RESULTADOS 13

FIGURAS 14

IV. INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS 15

CONCLUSIONES 17

BIBLIOGRAFÍA 18

APÉNDICE

A. Datos originales 19

B. Muestra de Cálculo 20

C. Datos calculados 21

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RESUMEN

En esta práctica se llevó a cabo el estudio de la Química del Carbono mediante

el análisis del porcentaje de carbono presente en una muestra de aserrín y otra de

azúcar y la destilación del aserrín para la obtención de alquitrán. La primera parte

consistió en la carbonización de la madera, para la cual se utilizó aserrín, el cual se

introdujo en un tubo de ensayo en un sistema cerrado, al cual se le aplicó calor

directo con un mechero. Dicho tubo de ensayo se encontraba unido por medio de

una varilla de vidrio forrada con papel aluminio, para conservar el calor de la

destilación, con un segundo tubo de ensayo, en el cual se recolectaron los

compuestos resultantes de la carbonización: alquitrán y gases no condensables

como el dióxido de carbono. El alquitrán obtenido se encontraba en estado líquido y

los gases fueron liberados. Se cuantificó el carbón final y el alquitrán, y se calculó

tanto el porcentaje de carbono presente en el aserrín como el porcentaje en peso de

alquitrán presente en el aserrín. En la segunda parte se llevó a cabo la obtención de

carbón a partir de azúcar, para lo cual se realizó un proceso de deshidratación

utilizando ácido sulfúrico y agua. La muestra de sacarosa se colocó en un beaker y

se diluyó primeramente en agua y luego se le añadieron unos mililitros de ácido

sulfúrico, con lo cual se observó un cambio de coloración y un aumento de volumen

en la muestra. Se procedió a colocar la muestra deshidratada en un crisol y a

introducirla en la mufla para la eliminación de agua en forma de vapor. Al finalizar el

proceso, se cuantificó la cantidad de carbón resultante y se procedió a calcular el

porcentaje de carbono presente en la sacarosa. Ambas muestras presentaron un

porcentaje razonable de carbono en su composición, al igual que el porcentaje de

alquitrán presente en el aserrín resultó adecuado. Sin embargo, los gases libreados

como el dióxido de carbono contienen carbono, lo cual representa una disminución

de porcentaje de carbono en ambas muestras, que debe considerarse para

determinar el porcentaje real de carbono presente. La práctica se llevó a cabo bajo

condiciones atmosféricas normales y a una temperatura de 25°C.

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OBJETIVOS

General

Llevar a cabo el estudio de la Química del Carbono mediante la obtención de

compuestos orgánicos a partir de materia orgánica.

Específicos

1. Conocer sobre los procesos de carbonización y calcinación de la materia

orgánica mediante la experimentación en el laboratorio.

2. Determinar el porcentaje de carbono presente en una muestra de azúcar y

otra de aserrín.

3. Obtener alquitrán mediante la destilación del aserrín y calcular su porcentaje

en peso.

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1. MARCO TEÓRICO

Química del Carbono

La química del carbono, también conocida como química orgánica, es una rama

de la química que se ocupa de las propiedades y reacciones de los compuestos del

carbono. El nombre de química orgánica debe su origen a que en un principio se

creyó que sólo los organismos vivos eran capaces de formar compuestos orgánicos.

El análisis de dichos compuestos demostró que el carbono predominaba en sus

moléculas. Junto al carbono, los elementos que con mayor frecuencia intervienen

en su constitución son: el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno. También pueden

formar parte de los mismos, aunque con menor frecuencia, los halógenos, el azufre,

el fósforo, el silicio o el boro y en algunas ocasiones incluso metales como el sodio,

el calcio o el cinc.1

Carbonización de materia orgánica

La carbonización es el término para la conversión de una sustancia orgánica en

carbono o un resto que contiene carbono a través de pirólisis o destilación. Se

utiliza a menudo en la química orgánica con referencia a la generación de gas de

carbón y alquitrán. Los combustibles fósiles, en general, son los productos de la

carbonización de la materia vegetal. La madera consiste de tres componentes

principales: celulosa, lignina y agua. El agua es absorbida o retenida como

moléculas de agua en la estructura celulosa-lignina. Antes de que la carbonización

ocurra, el agua en la madera tiene que ser totalmente eliminada como vapor.

Cuando la madera está seca y calentada a alrededor de 280°C, comienza

espontáneamente a fraccionarse, produciendo carbón más vapor de agua y

compuestos químicos en la forma de alquitranes y gases no condensables, que

consisten principalmente en hidrógeno, monóxido y dióxido de carbono.2

1 I. E. S. Al-Ándalus. Departamento de Física y Química. “Tema 7: Química del Carbono”. Almería, España.

2 CONAF, Corporación Nacional Forestal. “Procesos de Carbonización”, 2003.

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Calcinación

Es el proceso de calentar una sustancia a temperatura elevada para provocar la

descomposición térmica o un cambio de estado en su composición física o química.

Para fines de química orgánica, se considera el proceso en el que en una sustancia

se da la remoción de agua, dióxido de carbono y otros gases que se encuentran

químicamente unidos en forma de hidratos. Durante dicho proceso sale el agua

libre, el agua que está débilmente unida y el agua química o fuertemente unida. Las

sustancias orgánicas se descomponen y el carbono al combinarse con oxígeno da

como resultado dióxido de carbono. Los elementos simples de la materia orgánica

van sufriendo un proceso de transformación química. Generalmente, el proceso se

lleva a cabo dentro de una mufla.3

Deshidratación del azúcar con ácido sulfúrico

La deshidratación es un proceso que consiste en eliminar agua del medio que lo

contiene. Este proceso puede ser un proceso natural o artificial, es decir, provocado

por la mano del hombre. En el caso del azúcar, encontramos un producto natural

con un alto contenido de agua. El ácido sulfúrico es un deshidratante muy potente.

Lo que sucede es que el ácido reacciona con el agua del azúcar. La reacción es

muy exotérmica y provoca desprendimiento de gases nocivos, por lo que hay que

ejecutarla dentro de una campana extractora. Una vez se tiene la reacción iniciada,

ya se puede producir la carbonización del azúcar. La aparición de carbón (carbono)

es evidente por el residuo de color negro y aspecto esponjoso, fruto de la gran

cantidad de calor y gases que se desprenden. El agua formada también se evapora

por la cantidad de calor que desprende. Se dan las siguientes reacciones:

1. C12H22O11 + 18H2SO4 C + 6CO2 + 29H2O + 12SO3 + 6SO3 + calor

2. C12H22O11 12C + 11 H2O 4

3 Brown, Theodore L. “Química: la ciencia central”. México, 2004.

4 I. E. S. Al-Ándalus. Departamento de Física y Química. “Deshidratación del azúcar con ácido sulfúrico”.

Almería, España.

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2. MARCO METODOLÓGICO

Algoritmo de la práctica

Primera parte (carbonización)

1. Se pesó 5 gramos de aserrín en la balanza analítica utilizando un vidrio de

reloj, y se anotó la tara de este.

2. Se colocaron los gramos de aserrín en un tubo de ensayo, y se tapó con un

tapón de hule perforado.

3. Se realizó un doblado de vidrio en forma de “V” y se conectó al tapón de hule

del inciso anterior.

4. Se colocó el tubo de ensayo en un soporte universal utilizando una pinza

adecuada.

5. Se colocó el otro tubo de ensayo en el extremo libre de la conexión del inciso

3, en un baño con hielo (ver figura 1).

6. Se forró con papel aluminio la varilla de vidrio que conectaba a ambos tubos

de ensayo.

7. Se calentó con un mechero el tubo de ensayo que contenía el aserrín, hasta

que se obtuvo un destilado líquido en un tubo de ensayo, y en el otro, hasta

que todo el aserrín estuviera carbonizado.

8. Se enfrió el destilado y se midió su volumen con una probeta.

9. Se pesó en la balanza el aserrín carbonizado obtenido en el inciso 7,

utilizando para ello un vidrio de reloj.

Segunda parte (obtención de carbón a partir de azúcar)

1. Se pesó 4 gramos de azúcar en la balanza analítica.

2. Se colocaron los gramos de azúcar en un beaker de 250 ml.

3. Se añadió unas gotas de agua para disolver el azúcar y se agitó con una

varilla de vidrio.

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4. Se agregaron unos mililitros de ácido sulfúrico concentrado al beaker del

inciso 2, hasta que se observó un cambio de color.

5. Se observó el aumento de volumen.

6. Se pesó en la balanza analítica el carbón obtenido de la deshidratación del

azúcar.

7. Se colocó el carbón obtenido en un crisol y se calcinó en la mufla.

8. Se pesó en la balanza analítica las cenizas obtenidas al finalizar el proceso.

Diagrama de Flujo

Primera parte (carbonización)

Se limpió el área de trabajo y se lavó

la cristalería a utilizar

Se pesó 5 gramos de aserrín

utilizando un vidrio de reloj

Se anotó la tara de este

Se colocaron los gramos de

aserrín en un tubo de ensayo

Se tapó el tubo con un tapón

perforado

1

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1

Se dobló una varilla de vidrio en forma

de “v” y se conectó al tapón de hule

anterior

Se colocó dicho tubo de ensayo en un

soporte universal con la pinza

adecuada

Se colocó el otro tubo de ensayo al

extremo libre del sistema, en un beaker

con hielo

Se forró con papel aluminio la varilla de

vidrio que conectaba ambos tubos de

ensayo

Se calentó con un mechero el tubo de

ensayo que contenía el aserrín hasta que se

obtuvo un destilado líquido en el otro tubo

Se esperó a que todo el aserrín se

hubiera carbonizado

Se enfrió el destilado y se midió su

volumen con una probeta

2

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Segunda parte (obtención de carbón a partir de azúcar)

2

Se pesó en la balanza el aserrín

carbonizado utilizando un vidrio de

reloj

Se pesó 4 gramos de azúcar en la

balanza analítica

Se colocaron los gramos de azúcar en

un beaker de 250 ml

Se añadieron unas gotas de agua para

disolver un poco el azúcar

Se agitó la mezcla con una varilla de

vidrio

Se agregaron unos mililitros de ácido

sulfúrico concentrado

Se observó un cambio de color y un

aumento de volumen

3

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Se pesó en la balanza el carbón

obtenido de la deshidratación del

azúcar

3

Se colocó el carbón obtenido en un

crisol y se calcinó en la mufla

Se pesó en la balanza la ceniza

obtenida al finalizar el proceso

Se limpió el área de trabajo y se

lavó toda la cristalería utilizada

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3. RESULTADOS

1. Porcentaje de carbono presente en el azúcar y el aserrín.

Tabla I. Porcentaje de carbono presente en el azúcar y el aserrín

Materia Orgánica

Porcentaje de

carbono total (%)

Aserrín 34,66

Azúcar 18,35

Fuente: datos calculados

2. Porcentaje en peso de alquitrán presente en el aserrín.

Tabla II. Porcentaje en peso de alquitrán presente en el aserrín

Porcentaje en peso de

alquitrán obtenido (%)

41,86

Fuente: datos calculados

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FIGURAS

Figura 1. Equipo utilizado para la destilación y obtención de alquitrán

Fuente: Instructivo de Laboratorio del curso Química Orgánica 1.

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4. INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

El análisis de ambas muestras de aserrín y de azúcar indica la presencia de

carbono en ellas, lo cual resulta lógico debido a que ambas son materia orgánica. El

azúcar posee un nivel más alto de carbono en su estructura que la madera. Sin

embargo, la tabla I muestra que el porcentaje de carbono es mayor en el aserrín

que en el azúcar.

Para la obtención de carbono a partir del azúcar se llevaron a cabo dos

reacciones, la primera que consiste en la deshidratación y la segunda que consiste

en la carbonización. En la primera se desprende carbono en forma de dióxido de

carbono y de carbono elemental, por lo que el porcentaje de carbono disminuye al

llevarse a cabo dicha reacción. Debido a esta reacción se observó el cambio de

color de la solución de sacarosa, al pasar de color claro amarillento a negro

amarillento. En la carbonización se obtiene directamente el carbono presente en el

azúcar, ya que al introducir la muestra en la mufla se elimina el agua en forma de

vapor. Para determinar el porcentaje real de carbono presente en el azúcar se debe

considerar el carbono que ya se perdió en forma de dióxido de carbono y carbono

elemental, ya que únicamente se consideró el carbono recuperado en el proceso de

carbonización, por lo que el porcentaje debió ser mayor.

En el caso del aserrín, la presencia de carbono se debe a la trementina, el cual

es un compuesto presente en la celulosa de la madera. El porcentaje resultó mayor

al del azúcar debido a que la muestra de carbono obtenida al quemar el aserrín, no

se calcinó en la mufla y por lo tanto aún contenía restos de alquitrán y agua en

forma de vapor que al evaporarlos completamente hubieran manifestado una

reducción en la masa de carbono obtenido y el porcentaje hubiera sido menor.

El aserrín empleado en la práctica provenía del pino, el cual es un árbol

resinoso. Por lo que al destilar dicho aserrín se obtuvo residuos calcinados de la

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madera y se destiló parte de la humedad y la resina. Dicha madera al ser destilada

liberó una sustancia más líquida que la resina denominada alquitrán. El alquitrán

obtenido en la práctica consistió en una sustancia amarillenta con un olor dulce

fuerte. De acuerdo a la tabla II, el porcentaje en peso de alquitrán presente en el

aserrín se acerca al 50%, lo cual es coherente debido a que el pino contiene

abundante resina, la cual al destilarse da como resultado alquitrán y otros gases no

condensables como el dióxido de carbono.

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CONCLUSIONES

1. Mediante los procesos de carbonización y calcinación se puede realizar un

análisis del porcentaje de carbono presente en la materia orgánica.

2. El porcentaje de carbono presente en el aserrín se debe a la trementina, un

compuesto orgánico que se extrae de la celulosa de la madera.

3. Al determinar el porcentaje de carbono se debe tomar en cuenta el carbono

que se libera como dióxido de carbono, ya que este representa una

disminución del porcentaje real de carbono presente.

4. La presencia de carbono en la sacarosa es evidente por el residuo negro y

aspecto esponjoso que se obtiene al añadir ácido sulfúrico.

5. El alquitrán obtenido en el laboratorio por medio de destilación posee una

gran abundancia debido a que se recolectó un volumen considerable del

mismo y su porcentaje en peso es cercano al 50%.

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BIBLIOGRAFÍA

1. BROWN, Theodore L., y otros. Química: la Ciencia central. Escalona García,

Héctor (traducción); González Muradás, Rosa María (revisión técnica);

Chávez Carrillo, Myrna (revisión técnica); Sansón Ortega, María del Carmen

(revisión técnica). Novena edición. México: Pearson Educación, 2004. 1152

p. ISBN: 970-26-0468-0

2. Corporación Nacional Forestal. Ministerio de Agricultura. Gobierno de Chile.

“Producción de carbón vegetal a partir de residuos forestales”. Referencia del

7 de diciembre del 2013. Disponible vía electrónica en:

http://alternativasquemas.conaf.cl/fichas/ficha14.pdf

3. FELDER, Richard. Principios elementales de los procesos químicos. Tercera

edición. México: Limusa Wiley, 2003.

4. I. E. S. Al- Ándalus. Departamento de Física y Química. “Tema 7: Química

del Carbono”. Referencia del 6 de diciembre del 2013. España, 2011.

Disponible en la web:

http://www.iesalandalus.com/joomla3/images/stories/FisicayQuimica/Qui2B/te

ma07quimicacarbono.pdf

5. Quimicefa: Experimenta y aprende con la ciencia. “Deshidratación del azúcar

con ácido sulfúrico”. Referencia del 6 de diciembre del 2013. Disponible en:

http://www.quimicefa.com/138/desidratacion-del-azucar-con-acido-

sulfurico.html

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APÉNDICE

A. Datos Originales

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B. Muestra de cálculo

Las fórmulas que se utilizaron para realizar los cálculos en esta práctica se

detallan a continuación

1. Porcentaje de Carbono presente en materia orgánica.

Ecuación No. 1

Nota: esta ecuación se utilizó para determinar el porcentaje de carbono presente

en las muestras de aserrín y azúcar.

Ejemplo: determinar el porcentaje de carbono presente en una muestra de 5

gramos de aserrín, si al calcinarlo en la mufla se obtuvo una masa de 1,733

gramos de carbón recuperado.

2. Porcentaje en peso de alquitrán presente en el aserrín.

Ecuación No. 2

En donde:

%p/p: porcentaje en peso.

M. Al.: masa de alquitrán obtenida en la destilación (g).

Mo As.: masa inicial de aserrín (g).

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Nota: esta ecuación se utilizó para determinar el porcentaje en peso de alquitrán

presente en la muestra de aserrín.

Ejemplo: determinar el porcentaje en peso de alquitrán en una muestra de 5,0

gramos de aserrín si la masa de alquitrán obtenida por destilación fue de 2,093 g.

C. Datos Calculados

Los datos que se requirió calcular para la presente práctica se detallan a

continuación.

1. Tara de la cristalería para obtener la masa de interés.

Tabla III. Tara de la cristalería.

Instrumento

Peso del

instrumento (g)

Peso del instrumento con la masa a utilizar(g)

Masa de interés (g)

Crisol 36,656 38,389 1,733 (aserrín)

Beaker 65,397 66,131 0,734 (sacarosa)

Probeta 46,056 48,149 2,093 (alquitrán) Fuente: datos originales.

2. Porcentaje de Carbono presente en la materia orgánica.

Tabla IV. Porcentaje de carbono presente en las muestras de aserrín y

azúcar.

Materia Orgánica

Masa total (g)

Masa de carbono

presente (g)

Porcentaje de

carbono total (%)

Aserrín 5,0 1,733 34,66

Azúcar 4,0 0,734 18,35

Fuente: datos originales.

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Para efectuar los cálculos anteriores se utilizó la Ecuación No. 1.

3. Porcentaje en peso de alquitrán presente en el aserrín.

Tabla V. Porcentaje en peso de alquitrán presente en la muestra de

aserrín.

Fuente: datos originales.

Para efectuar los cálculos anteriores se utilizó la Ecuación No. 2.

Masa inicial de aserrín (g)

Masa de alquitrán (g)

Porcentaje en peso de

alquitrán obtenido (%)

5,0 2,093 41,86