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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