UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”
MATERIA: OPERACIONES UNITARIAS III CICLO 02-2014
REPORTE DE RESULTADOS 1. Datos La práctica se llevó a cabo c abo mediante dos métodos:
Disolver el ácido benzoico en agua y calentar Se diluyo 0.1 d de ácido benzoico en un tubo de ensayo donde se disolvió en un volumen de agua total de: 2ml la solución luego de añadir el primer mililitro de solvente se calentó y adiciono de 0,5 hasta llegar a 2ml. Luego del procedimiento se pesó la cantidad de cristales re cuperados, esto después de haber dejado reposar y filtrar que fue de: 0.0755 este valor se obtuvo de restar al tubo de ensayo+ la muestra (16.5218 g) el peso del tubo de ensayo vacio (16.4463g)
Disolución acido benzoico + carbón activado en agua Se pesaron 1.8 g de ácido benzoico y 2 g de carbón activado y se depositaron en un beaker de 250 ml donde se le adicionaron 2ml de agua destilada, luego se calentó la solución, hasta la ebullición mientras se añadía más agua destilada a la mezcla, agitando constantemente hasta llegar a un volumen de agua de 15 ml. La solución se filtró en caliente (para separar acido benzoico, del carbón activado), se dejó reposar sobre hielo y luego que se formaron los cristales se volvió a filtrar para recuper ar el ácido. Los resultados fueron: Peso de muestra+ embudo=58.3752g Peso embudo solo=58.1255g Peso filtro con cristales=1.4742 g (peso de papel filtro despreciable) Peso beaker+ muestra=107.3742g Peso beaker solo=107.2868 g
Extracción de Cafeína de un Café expreso y Energizante. Se pesaron 58 g de café soluble y se depositaron en beaker, en donde se le adiciono agua destilada, hasta llegar a un volumen de 250 ml (el agua se puso a calentar c alentar a 90 °C para aumentar la solubilidad), se mezcló con una varilla de vidrio y al estar totalmente disuelto, se adiciono 1.5 ml de hidróxido de amonio para llevar la solución de café a medio básico. Después de basificar la solución, se trasladó a un embudo de separación, donde se adicionaron 25 ml de cloruro de metileno, se agito la mezcla (teniendo cuidado de liberar la presión formada) y se dejó reposar, hasta que se formaron dos fases claramente separadas:
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MATERIA: OPERACIONES UNITARIAS III CICLO 02-2014 1. La fase orgánica, de color cristalino donde se encuentra el cloruro de metileno + la cafeína que fue arrastrada por el compuesto orgánico. 2. La fase acuosa, de color café que contiene la suspensión de café en agua+ aun un poco de cafeína. Estas dos fases se separaron, depositando la fase orgánica en un erlenmeyer y dejando la fase acuosa en el embudo. Como aún queda cafeína disuelta en la mezcla, fue necesario re alizar otra extracción, adicionando nuevamente 25 ml de cloruro de metileno y repitiendo el mismo procedimiento. Para la extracción de la cafeína presente en el energizante se utilizaron 250 ml de RockStar energizante y se repitió el mismo proceso.
Resultados Práctica Cafeína
Los valores obtenidos de la extracción de cafeína del energizante. Peso de beaker solo: 18.5068 g Peso agua destilada (fría)+beaker: 34.8258 g Peso beaker+ agua destilada+ cafeína: 34.8358 g
Los valores obtenidos de la extracción de cafeína del café Peso beaker solo: 18.5068 Peso agua destilada (fría)+beaker: 35.5228 g Peso beaker+ agua destilada+ cafeína: 34.5374 g
2. Cálculos En la primera parte de la práctica se evalúa cuál es el mejor disolvente para ciertos solutos como el ácido benzoico y el benzoato sódico, de las cuáles describiremos mejor la del ácido benzoico pues se cuenta con información en la literatura sobre la solubilidad a distintas temperaturas. Para el caso se midió la temperatura de trabajo y era de, aproximadamente, 29°C, luego con la curva mostrada a continuación (tomada de Solubilities of Organic Compounds, Vol. 2, A. Seidell Van Nostrand, N. York, 1941).
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e d g 0 0 1 / o d i ) c a á u g g ( a d a d i l i b u l
o S
Solubilidad del Ácido Benzoico en Agua 7 6 5 4 3 2 1 0 0
50
100
150
Temperatura (°C)
Tabla 1. Solubilidad del ácido benzoico a diferentes temperaturas.
Temp (°C)
Solubilidad (g ácido/100 g de agua)
0
0.17
10
0.21
20
0.29
25
0.345
30
0.41
40
0.555
50
0.775
60
1.155
80
2.715
100
5.875
Con estos datos, se procede a calcular la cantidad teórica de agua necesaria para disolver los 0.1 g de ácido a 29° C, se interpola la solubilidad: − −
=
.− .−.
, despejando para x da un valor de 0.397 g de ácido/100 g de agua, es decir que
para disolver los 0.1 g de ácido se necesitarían
.∙ .
= 25.1889 g de agua, asumiendo la densidad
del agua a 29° C es 0.996 g/mL, por lo que el volumen de agua requerido es de
. .
= 25.287 mL
de agua, sin embargo, al calentar, la solubilidad aumenta, se tomó la temperatura a la cual e bulló el agua y se disolvió el soluto, esta fue de 96 °C aproximadamente, a esta temperatura la solubilidad del agua es de
− −
=
.− .−.
, x=5.243 g ácido/ 100 g de agua.
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MATERIA: OPERACIONES UNITARIAS III CICLO 02-2014 Con esta solubilidad la cantidad de agua requerida, teóricamente, es de
.∙ .
= 1.9073 g, la
densidad del agua a esa temperatura es de 0.962 g/mL, por lo que la cantidad de agua requerida es . .
=1.9826 mL de agua, ahora bien, la cantidad experimental utilizada fue de 2 mL.
Estos cálculos son necesarios para poder conocer la cantidad teórica de cristales que se pueden obtener al enfriar la solución saturada, para el caso, luego se enfrió la solución hasta una temperatura de 15° C, a esta temperatura, la solubilidad es de 0.25 g ácido/ 100 g de agua. Para conocer la cantidad de cristales obtenidos teóricamente basta con hacer la resta de las solubilidades, es decir, (5.243 – 0.25) g ácido/ 100 g de agua, es decir que se pueden obtener 4.993 g ácido/ 100 g de agua en forma de cristales, teniendo inicialmente 0.1 g de ácido benzoico, la masa
teórica de cristales obtenidos
.∙. .
= 0.095 g de cristales de ácido benzoico.
Experimentalmente se obtuvieron 0.0755 g de cristales. Porcentaje de error, respecto a la masa teórica de cristales: |0.095 0.0755| 0.096
∗ 100 = 20.31%
En la segunda parte de la práctica, se tomaron 1.8 g de ácido benzoico, los cuales iban a ser filtrados con carbón activado para remover las impurezas del mismo. En este caso la temperatura de ebullición de la solución fue de 98 grados Celsius, a esta temperatura la solubilidad del agua es de − −
=
.− .−.
, x= 5.559 g ácido/ 100 g de agua, luego se enfrió a 10 grados Celsius, a esa
temperatura la solubilidad es de 0.21 g ácido/ 100 g de agua. Partiendo de 5.559 g ácido se pueden cristalizar (5.559 – 0.21) g ácido / 100 g de agua, 5.349 g ácido cristalizado, teóricamente entonces, la masa de cristales obtenida teóricamente es de
.∙. .
=
1.732 g de cristales teóricamente. La masa total de cristales obtenidos se sacará de las diferencias: Masa de cristales que se retienen en el embudo: Tabla 2. Masa de cristales retenidos en el embudo.
Masa de embudo más cristales (g) Masa de embudo (g) Masa de cristales (g)
58.3752 58.2255 0.1497
Masa de cristales que se retienen en e l filtro (se considera despreciable la masa del filtro): 1.2742 g Masa de cristales que se obtienen en el beaker:
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MATERIA: OPERACIONES UNITARIAS III CICLO 02-2014 Tabla 3. Masa de cristales obtenidos en el beaker.
Masa de cristales más beaker (g) Masa de beaker (g) Masa de cristales (g)
107.3742 107.2868 0.0874
Masa total de cristales obtenidos: 1.511 g de cristales obtenidos.
|1.732 1.511| 1.732
∙ 100 = 12.76%
Cristalización de la cafeína: Luego de la extracción al final se obtuvieron 10 mg de 23 mg que tiene (según la etiqueta) de la bebida energizante. Por lo que la cafeína rec uperada es de:
10 23
∙ 100 = 43.4783%
El rendimiento (relativo al volumen de bebida energizante) de la cafeína fue:
10 í 250
= 0.04
í
Con café expreso se obtuvieron 14.6 mg de cafeína y, teóricamente, este café tiene un contenido de 35 mg, por lo que el porcentaje de recuperación fue de:
14.6 35
∙ 100 = 41.7143%
El rendimiento (relativo a la masa de café granulado) de la cafeína es de:
14.6 í 58 é
= 0.2517
í é
3. Respuestas al trabajo adicional 1. ¿En qué consiste la cristalización y que métodos se utilizan?
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MATERIA: OPERACIONES UNITARIAS III CICLO 02-2014 R/ La cristalización es una técnica mediante la cual se obtienen sólidos cristalinos. Se puede emplear para purificar sustancias, para separar mezclas, o bien para obtener cristales grandes y bien formados que se emplearán en estudios cristalográficos. En este proceso los iones, moléculas o átomos forman una red en la cual van formando enlaces hasta llegar a formar cristales, los cuales son bastante usados en la química con la finalidad de purificar una sustancia de naturaleza sólida. Por me dio de la cristalización se separa un c omponente de una solución en estado líquido pasándolo a estado sólido a modo de cristales que precipitan. Este pasó u operación es necesaria para cualquier producto químico que se encuentre como polvos o cristales en el mundo comercial, por ejemplo, el azúcar, la sal, etc. Los métodos más empleados para realizarla son aquellos en los que se parte de una disolución saturada de la sustancia que se desea obtener como sólido cristalino. La cristalización tendrá lugar siempre que se produzca una disminución en la solubilidad de la sustancia en cuestión; dicha variación se puede originar de diversas formas: a) Por enfriamiento lento de la disolución saturada caliente. b) Por evaporación libre del disolvente a temperatura constante, en general a temperatura ambiente. En general, se recurre al enfriamiento de la disolución saturada, proceso que suele ir acompañado de la evaporación del disolvente. [2] 2. ¿Qué características se deben tomar en cuenta a la hora de escoger un disolvente para la cristalización? R/Seleccionar un disolvente adecuado es uno de los pasos más significativos en la cristalización. Para que el compuesto se pueda diluir en el disolvente, este necesita tener características físicas y estructurales similares mas no iguales, de modo que pueda disolverse para eliminar los contaminantes, pero al enfriarse se pueda separar del disolvente y recuperar los cristales. Las características esenciales para un buen disolvente son:
Disolver todo el compuesto en el punto de e bullición del solvente
Disolver muy poco o nada del soluto en temperatura ambiente
Tener diferentes solubilidades para el compuesto y las impurezas
Tener un punto de ebullición por debajo del punto de fusión del compuesto
Poseer un punto de ebullición relativamente bajo, entre 60 y 100º C
No reaccionar con el compuesto
Ser barato, no tóxico y no inflamable [3]
3. ¿Cuál es la función del carbón activado? ¿Qué sucede si se añade demasiada cantidad? ¿Si se adiciona muy poco?
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MATERIA: OPERACIONES UNITARIAS III CICLO 02-2014 R/ El carbón activado sirve para concentrar y adsorber algunas impurezas en una mezcla debido a su superficie porosa. Si se le añade mucho carbón activado, la sustancia ya se contaminaría y cambiaría su color a negro. Si se le añade muy poca las impurezas de la solución no serán adsorbidas completamente por lo cual la solución aun no estaría libre de impurezas. 4. ¿Por qué en el proceso de cristalización debe utilizarse una cantidad mínima de solvente? R/ Para que el soluto no se valla a disolver mucho con el solvente y evitar el riesgo de que al evaporarse se pierda parte del soluto por evaporación. 5. ¿Cuál es la función del sulfato de sodio anhidro (Na 2SO4) cuando es adicionado a la fase orgánica en el proceso de cristalización de cafeína? R/ El sulfato de sodio anhidro tiene propiedades higroscópicas y por lo tanto es utilizado como desecante en el laboratorio. En esta práctica se utilizó para eliminar el agua residual del experimento. Absorbe el agua dejando libre la fase orgánica. [4] 6. ¿Es posible utilizar este mismo procedimiento para extraer la cafeína de la Coca-Cola o Pepsi-cola? R/ El procedimiento utilizado para la extracción de cafeína en bebidas estimulantes como el café y la RockStar es posible aplicarlo a la coca cola y Pepsi cola, el procedimiento para ambos incluso es posible realizarlo con cloroformo en lugar de diclorometano. La cafeína puede ser separada en ambos casos por medio de una extracción líquido-liquido con un solvente orgánico como el diclorometano o cloroformo, por la diferencia de polaridad de los componentes de la bebida. Porque la cafeína es un compuesto de polaridad media, soluble en agua y algunos solventes orgánicos. [5] 7. ¿Qué efecto del hidróxido de amonio permite que la separación de la cafeína sea eficiente? R/ El hidróxido de amonio regula el PH, si el compuesto no tiene el pH en 7 lo más probable es que la cafeína no se extraiga. El hidróxido de amonio es una sustancia no miscible con la cafeína, lo que hace que haya una separación en fases, la razón por la que se echa hidróxido de amonio es para disminuir la solubilidad de la cafeína en el agua, neutralizando la mezcla conformada por cafeína y diclorometano. [6]
4. Análisis de resultados En la primera parte de la práctica se evalúa cuál es el mejor disolvente para ciertos solutos como el ácido benzoico y el benzoato sódico, de las cuáles describiremos mejor la del ácido benzoico pues se cuenta con información en la literatura sobre la solubilidad a distintas temperaturas. Los tres disolventes en los cuales se probó fueron: agua destilada, acetona y etanol; como se describe en la práctica el mejor disolvente se elige en base al rendimiento teórico de cristalización,
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MATERIA: OPERACIONES UNITARIAS III CICLO 02-2014 sin embargo de entrada se pueden descartar las opciones, por ejemplo, si a temperatura ambiente, el soluto se disuelve completamente no es factible utilizarlo pues implica que tiene una elevada solubilidad lo cual dificulta la recuperación en forma cristalina del soluto. Para el caso del ácido benzoico, se observó que, tanto en la acetona como el etanol se disolvió instantáneamente el 0.1 g de ácido benzoico en el mL del disolvente, sin embargo en e l agua destilada no sucedió así, pues fue necesario calentar y agregar un poco más de solvente para lograr la disolución del soluto, es necesario mencionar que tampoco debe tener una solubilidad demasiado baja pues entonces difícilmente se lograría la transferencia de masa entre las fases. Para la segunda parte de la práctica se evalúa rentabilidad de la extracción de la cafeína, de dos bebidas estimulantes, una es de un energizante y una del café, esto se llevó a cabo mediante los cálculos de rendimiento, realizando las comparaciones con los valores teóricos, presentes en las etiquetas de dichas bebidas, para ambas se utilizó el mismo solvente y procedimiento para hacer válidas las comparaciones. Al observar los resultados se aprecia que la recuperación de la cafeína fue más efectiva en la bebida energizante RockStar ya que el porcentaje de recuperación de este es superior en un 1.764% que el valor en porcentaje recuperado en el café. En cuanto a los valores de rendimiento no es posible realizar ninguna comparación, esto debido a que para el energizante el rendimiento esta dado relativo a su volumen y para el café esta dado en base a la masa de café disuelto en agua.
5. Conclusiones
La cristalización es el proceso mediante el cual se separan sustancia en forma sólida a partir de su disolución, mediante una concentración saturada de la misma. Como se pudo observar en la práctica del ácido benzoico, al diluir una muestra del mismo en agua destilada a una temperatura elevada, donde se pudo apreciar que un cristal se forma por una saturación del producto en el agua, lo que origina que al llegar a su temperatura natural, la solubilidad disminuya y las partículas del solido disuelto se vean obligadas a juntarse, dando origen a los cristales. En el proceso de formación de los cristales la velocidad de enfriamiento es un factor importante ya que si la muestra se enfría lentamente, los cristales son de mayor tamaño porque sus partículas se organizan lentamente, y si por el contrario ocurre de manera rápida, las partículas que componen el cristal no tiene tiempo de organizarse y dan lugar a cristales más inestables y de menor tamaño, esto se observó al colocar a enfriar una muestra sobre hielo(segundo experimento acido benzoico) y dejar otra enfriándose lentamente (primera parte acido benzoico). En la cristalización de ácido benzoico se da una cristalización inmediata a causa del cambio de temperatura, esto se observó cuando la solución se calentó y luego se dejó enfriar a temperatura ambiente conduciendo a la formaron de cristales a una alta velocidad. Esto se
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MATERIA: OPERACIONES UNITARIAS III CICLO 02-2014 da, debido a que la concentración está arriba de la sobresaturación, donde la nucleación es concebida como espontánea y rápida.
La elección de solvente para la cristalización está relacionado con una solubilidad y esta, a su vez, con la temperatura, el solvente ideal es aquel en el cual el soluto debe tener una solubilidad alta a altas temperaturas y baja solubilidad a bajas temperaturas, como se pudo observar en la práctica, el etanol y la acetona no son buenos solventes ya que el ácido benzoico se disolvió instantáneamente, lo que indica que tienen una alta solubilidad a bajas temperaturas, mientras que en el caso del agua, mostró ser el solvente ideal pues a temperatura ambiente tiene poca solubilidad y al aumentar la temperatura se observó que aumentó la solubilidad, estos datos se confrontaron con la curva de solubilidad, en la cual se puede observar que a bajas temperaturas la solubilidad del ácido benzoico en dicho solvente es baja mientras que a altas temperaturas se tiene una alta solubilidad.
6. Bibliografía [1] Solubilities of Organic Compounds, Vol. 2, A. Seidell Van Nostrand, N. York, 194 1 [2] Sergio Huerta Ochoa. (2012). Cristalización. Fecha de consulta: 1 de noviembre de 2014. URL: http://sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/sho/Cristalizacion.pdf [3] Pasto, Daniel J. y Johnson, Carl R. (2003). Determinación de estructuras orgánicas. Barcelona: editorial Reverté. [4] Guarnizo F. Anderson; Martínez Pedro N. (2009). Experimentos de química orgánica con enfoque en ciencias de la vida. Armenia, Colombia: Ediciones Elizcom.
[5] Asesorías químico ambientales. (2007). Sulfato de sodio. Fecha de consulta: 2 de noviembre de 2014. URL: http://www.aqaltda.com/sulfato-de-sodio [6] QuimicaNet. (2000). El carbonato de sodio y sus aplicaciones más importantes. Fecha de consulta: 3 de noviembre de 2014. URL: http://www.quiminet.com/articulos/el-carbonato-desodio-y-sus-aplicaciones-mas-importantes-21849.htm
