UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA FACULTAD DE CIENCIA, TECNOLOGÍA Y AMBIENTE
Ingeniería Ambiental Química Ambiental II
Práctica N°5: “Determinación de dióxido de carbono”
Docente: PhD. Indiana García
Elaborado por: Josmari Rachel Medrano Lozano
Grupo: 0944
Managua, Nicaragua 9 de julio, 2017
TABLA DE CONTENIDO RESUMEN ......................................................................................................... 1 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 2 2. OBJETIVOS ................................................................................................... 4 2.1 Objetivos General ..................................................................................... 4 2.2 Objetivos Específicos................................................................................ 4 3. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 5 3.1 Dióxido de Carbono .................................................................................. 5 3.2 Propiedades físicas y químicas ................................................................ 5 3.3 Fuentes ..................................................................................................... 6 3.4 Dióxido de carbono en la atmósfera ......................................................... 6 3.4.1 Efecto invernadero ............................................................................. 7 3.5 Efectos en la salud ................................................................................... 8 3.6 Concentraciones permitidas ..................................................................... 8 4. MARCO METODOLÓGICO ........................................................................... 9 4.1 Procedimiento ........................................................................................... 9 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ..................................................................... 10 5.1 Determinación de dióxido de carbono..................................................... 10 6. CONCLUSIONES ......................................................................................... 12 7. RECOMENDACIONES ................................................................................ 13 8. LISTA DE REFERENCIAS ........................................................................... 14 9. ANEXOS ...................................................................................................... 15
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Propiedades físicas y químicas ............................................................. 5 Tabla 2 Emisiones de CO 2 al año por procesos industriales .......................... ............ .................. .... 6
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Ciclo del dióxido de carbono ................................................................ 7 Figura 2 Burbujeador .......................................................................................... 9 Figure 3 Solución de BaCO 3 ............................................................................ 10 Figura 4 Color obtenido, después de la valoración .......................................... 11
RESUMEN El objetivo general de la presente investigación es determinar la concentración de dióxido de carbono en una muestra de aire contaminado a nivel de laboratorio, utilizando una solución absorbente de hidróxido de bario y valorando con ácido oxálico. Para ello, se hizo circular la muestra de aire contaminado a través de una solución absorbente de hidróxido de bario, debido a que el aire presente contenía dióxido de carbono se formó una solución de carbonato de bario, el cual se pasó a un erlenmeyer de 250 mL y fue valorada con una solución de ácido oxálico , utilizándose fenolftaleína como indicador, conociendo la cantidad de ácido gastado se obtiene la cantidad de dióxido de carbono presente debido a que cada mL de ácido gastado equivale a 1 mg de CO2, en el cual se obtuvo una concentración de 0,78 g/L.
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1. INTRODUCCIÓN Se denomina “efecto invernadero” al fenómeno por el que parte de la energía
calorífica emitida por la corteza terrestre, es retenido y reflejada por determinados gases que forman parte de la atmósfera, impidiendo que se produzca un enfriamiento progresivo en la Tierra, sin la actuación de estos gases la vida tal como la conocemos no sería posible, ya que el calor emitido por el planeta se disiparía en el espacio produciendo unas temperaturas extremadamente bajas en la Tierra. Entre estos gases se encuentran el dióxido de carbono, el óxido nitroso, el metano y el vapor de agua, que en su mayoría son liberados por la industria, la agricultura, la ganadería y la combustión de combustibles fósiles. El dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro que se forma en todos aquellos procesos en que tiene lugar la combustión de sustancias que contienen carbono, el dióxido de carbono se encuentra en baja concentración en el aire que respiramos aproximadamente 0,03% en volumen. El dióxido de carbono es una molécula con la formula molecular CO 2, la cual es una molécula linear y está formada por un átomo de carbono que está ligado a dos átomos de oxígeno, O=C=O. A pesar de que el dióxido de carbono existe principalmente en su forma gaseosa, también tiene forma sólida y liquida, aunque este solamente puede estar en estado sólido debajo de los 78ºC. El dióxido de carbono liquido existe principalmente cuando el dióxido de carbono se disuelve en agua, pero este solamente es soluble en agua cuando la presión se mantiene, si esta llega a descender intentara escapar al aire, dejando una masa de burbujas de aire en el agua. El CO2 cobra especial relevancia por su efecto sobre las condiciones climáticas del planeta debido a que es un gas de larga permanencia, es decir, es un gas que permanece activo en la atmósfera durante mucho tiempo, por ejemplo, el CO2 emitido a la atmósfera sobre el 50% tardara 30 años en desaparecer, un 30% permanecerá varios siglos y el 20 % restante r estante durara varios millares de años (Mota, Alcázar, Iglesias, Iglesias, Ballesta & Carvajal, 2010). 2010). Debido a esto es crucial conocer las cantidades emitidas de dióxido de carbono en la atmósfera, y buscar distintas soluciones que permitan disminuir su concentración excesiva, ya que este es un gas que naturalmente está presente en la atmósfera el cual funciona como un gas de efecto invernadero es decir que junto con otros gases es encargado de mantener una temperatura apta para la vida en la tierra, pero al haber un exceso de estos gases incrementan fenómenos climáticos y aumenta la temperatura de la tierra provocando distintos daños no solo en el clima sino también en el sistema económico y social.
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El dióxido de carbono, principal protagonista del efecto invernadero, ha incrementado notablemente su concentración desde el inicio de la Revolución Industrial, pero además de este aspecto, el dióxido de carbono experimenta una serie de variaciones a nivel diario y estacional, estrechamente vinculadas con los elementos climáticos. De todos ellos, la radiación solar es el factor esencial de control, con un régimen en anti fase f ase con el dióxido. Las lluvias y los vientos, por medio de mecanismos diversos, dan lugar a un descenso en la concentración del gas, que en contrapartida tiende aumentar en las situaciones de inversión térmica cercana a la superficie (Quereda (Quereda & Montón, 1996). Debido a las actividades humanas, como la quema de combustibles fósiles y otros procesos, aumenta significativamente la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera contribuyendo al calentamiento global del planeta. El dióxido de carbono es esencial para la respiración interna en el cuerpo humano, debido a que la respiración interna es un proceso por el cual el oxígeno es transportado a los tejidos corporales y el dióxido de carbono es tomado de ellos y es transportado al exterior, además este es un guardián del pH de la sangre, lo cual es esencial para sobrevivir. La presente investigación se realizó con el propósito de evaluar la concentración de dióxido de carbono en una muestra de aire contaminado a nivel de laboratorio empleando una solución de hidróxido de bario y realizando una valoración con ácido oxálico utilizando fenolftaleína como indicador, conociendo la cantidad de hidróxido de bario que no ha reaccionado con el CO 2, se sabe que el resto si lo ha hecho y en consecuencia se conoce la cantidad de dióxido de carbono que ha circulado.
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2. OBJETIVOS 2.1 Objetivos General Evaluar la concentración de dióxido de carbono a nivel de laboratorio, utili zando una solución absorbente de hidróxido de bario y valorando esta solución con ácido oxálico, con la cual se determina la concentración de dióxido de carbono presente.
2.2 Objetivos Específicos
Determinar la presencia de dióxido de carbono en en una muestra de aire contaminado usando una solución de hidróxido de bario, usando técnicas de titulación con ácido oxálico, con el cual se determina la cantidad del dióxido de carbono que ha circulado. Comprobar la técnica de titulación para la determinación determinación de dióxido dióxido de carbono presente, en una muestra de aire contaminado.
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3. MARCO TEÓRICO En este capítulo se abordan los conceptos teóricos necesarios para sustentar los resultados que se obtengan durante la práctica de laboratorio. Se presenta el concepto de dióxido de carbono, además de las propiedades físicas y químicas de este, también se presenta como este se encuentra en los distintos medios. De igual manera se presentan los efectos del CO 2 tanto en la salud como en el medio ambiente.
3.1 Dióxido de Carbono PRTR (2015) el dióxido de carbono es un gas inodoro, incoloro, ligeramente acido y no inflamable. Es soluble en agua cuando la presión se mantiene constante, y está formado por una molécula lineal de un átomo de carbono ligado a dos átomos de oxígeno, de la forma O=C=O. A presar de que a temperatura y condiciones ordinaria se encuentra en forma gaseosa, puede solidificarse si se somete a temperaturas inferiores de -79ºC y licuarse cuando se disuelve en agua. La sustancia se descompone al calentarla intensamente por encima de 2000ºC, produciendo humos tóxicos de monóxido de carbono, y reaccionando violentamente con bases fuertes y metales alcalinos. De hecho, algunos polvos metálicos formados por magnesio, circonio, titanio, aluminio, cromo y manganeso, pueden ignitar y explotar cuando se calientan en presencia de dióxido de carbono.
3.2 Propiedades físicas y químicas El dióxido de carbono posee ciertas propiedades físicas y químicas, las cuales se resumen en la siguiente tabla (Miller & Spoolman, 2009).
Tabla 1 Propiedades físicas y químicas Propiedad Masa molecular Gravedad especifica Densidad critica Concentración en el aire Estabilidad Líquido Sólido Constante de solubilidad de Henry Solubilidad en agua
Valor 44,01 1.53 a 21ºC 468 kg/m3 370,3x107 ppm Alta Presión<415,8 KPa Temperatura<-78ºC 298.15 mol/kgxbar 0.9 vol/vol a 20ºC
Fuente: Miller & Spoolman, 2009
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3.3 Fuentes PRTR (2015) en la naturaleza, una fuente de emisión importante son los procesos fotosintéticos, concretamente el proceso de respiración en el que los componentes alimentarios de animales y plantas se oxidan para la obtención de energía, desprendiéndose en la reacción, dióxido de carbono y agua. Los incendios forestales también constituyen un foco de liberación significativa, ya que produce la quema de combustibles fósiles (madera y biomasa fundamentalmente). Con respecto a los complejos industriales, el sector energético es responsable de la mayor parte de las emisiones de dióxido de carbono con un 91,8% del total, y dentro del mismo, el sector de transporte figura con el 29,9% debido fundamentalmente a la quema de gas, gasolina y otros derivados del petróleo. La industria del cemento y las plantas de incineración de residuos presentan el 6,4% del total emitido, y como fuentes minoritarias, se encuentran la industria química y la industria i ndustria metalúrgica con un 1,8%.
Tabla 2 Emisiones de CO2 al año por procesos industriales Proceso Combustibles fósiles Energía Producción de cemento Refinerías Industria siderúrgica Industria petroquímica Refinamiento de petróleo y gas Otras fuentes Biomasa Bioetanol y bioenergía Total
Número de fuentes
Emisiones (MtCO2 /año)
4942 1175 638 269 470 No disponible
10539 932 798 646 379 50
90
33
303 7887
91 13468
Fuente: IPCC, 2005
3.4 Dióxido de carbono en la atmósfera Braga (2007) el dióxido de carbono forma parte de la composición de la troposfera (capa de la atmosfera más próxima a la Tierra) actualmente en una proporción de 350 ppm. Su ciclo en la naturaleza está vinculado al del oxígeno. El balance del dióxido de carbono es sumamente complejo por las interacciones que existen entre la reserva atmosférica de este gas, las plantas que lo consumen en el proceso de fotosíntesis y el transferido desde la tropósfera a los océanos. El aumento del contenido de dióxido de carbono que se verifica actualmente es un componente del cambio climático global, y posiblemente el mejor documentado. Desde mediados del siglo XIX hasta hoy, el aumento ha sido de 80 ppm. El análisis de gases retenidos en muestras de hielo obtenidas a 6
distintas profundidades en Antártida y Groenlandia, ha permitido conocer la concentración de dióxido de carbono atmosférico, y de otros gases del llamado efecto invernadero, durante por lo menos los últimos 150.000 años. Estas concentraciones han variado en la escala temporal de las glaciaciones, con concentraciones bajas durante los períodos glaciales (temperaturas bajas) y relativamente altas durante los períodos interglaciales (t emperaturas altas), con transiciones rápidas tanto en la variación de la temperatura como de la concentración de dióxido de carbono. Se ha discutido si este aumento del contenido de dióxido de carbono atmosférico corresponde o no a estas fluctuaciones naturales, dado que transitamos por un período postglacial. A partir de la misma fuente de información, las burbujas de gas retenidas en hielos de diferentes edades, se ha comprobado que el actual incremento de la concentración de dióxido de carbono se superpone a la variación esperada del mismo y los niveles alcanzados superan a los registrados en el pasado, siendo el aumento sustancial y acelerado durante los últimos 160 años e indudablemente causado por la actividad humana.
Figura 1 Ciclo del dióxido de carbono Fuente: Braga 2007
3.4.1 Efecto invernadero La humedad, el dióxido de carbono, los óxidos de nitrógeno y el metano presentes en la atmósfera, retienen parte del calor que resulta de la radiación infrarroja que penetra la Tierra por efecto de la luz solar. Esto permite que la oscilación diaria de la temperatura no sea tan brusca. La combinación de esos gases atmosféricos actúa como un techo de vidrio semejante al de los invernaderos, impidiendo que se escape el calor de la corteza terrestre, por tal 7
motivo, a este fenómeno se le conoce como efecto invernadero (Granillo, Valdivia & Villarreal, 2012). Benavides & León (2007) el dióxido de carbono es uno de los gases traza más comunes e importantes en el sistema atmósfera-océano-Tierra, es el más importante GEI asociado a actividades humanas y el segundo gas más importante en el calentamiento global después del vapor de agua. Este gas tiene fuentes antropogénicas y naturales. Dentro del ciclo natural del carbono, el CO 2 juega un rol principal en un gran número de procesos biológicos. En relación a las actividades humanas el CO 2 se emite principalmente, por el consumo de combustibles fósiles (carbón, petróleo y sus derivados y gas natural) y leña para generar energía, por la tala y quema de bosques (según la FAO, el 26% de la superficie terrestre se destina al pastoreo, y la producción de forrajes requiere de cerca de una tercera parte del total de la superficie agrícola. La principal causa de deforestación en América Latina se debe, justamente, a la expansión de tierras para el pastoreo. El 70% de los bosques amazónicos se usan como pastizales) y por algunos procesos industriales como la fabricación del cemento.
3.5 Efectos en la salud NJ Health (2016) los siguientes efectos agudos (a corto plazo) sobre la salud pueden ocurrir inmediatamente o poco después de la exposición al dióxido de carbono:
El contacto puede irritar y quemar la piel y los ojos. El contacto directo con el líquido o el sólido (hielo seco) puede causar lesiones por congelación. La exposición exposición al al dióxido de carbono carbono puede puede causar causar dolor de cabeza, cabeza, mareo, dificultad para respirar, temblores, confusión y zumbido en los oídos. La exposición más alta puede causar convulsiones, coma y la muerte.
3.6 Concentraciones permitidas La concentración media de CO 2 en la atmósfera es de 340 ppm en aire limpio y 700 ppm en las ciudades, dichos niveles en la atmósfera pueden variar ampliamente debido a la ubicación y tiempo. La concentración interna de CO 2 máxima permitida es 1000-1500 ppm y depende de su tasa de producción en el interior del edificio y de los niveles de este gas en el exterior. El CO 2 es un gas no toxico y sin efectos significativos en la salud a concentraciones de 10000 ppm o más. Pero concentraciones superiores a 50000 ppm producen efectos en el sistema nervioso central (Melo, 2016).
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4. MARCO METODOLÓGICO En este capítulo se presenta la metodología empleada para el desarrollo del trabajo investigativo, desde la preparación de las soluciones de hidróxido de bario y acido oxálico, luego realizando una técnica de valoración con el fin de conocer la concentración de dióxido de carbono.
4.1 Procedimiento Primeramente, se colocó 50 mL de solución absorbente de hidróxido de bario en un burbujeador, luego de esto se hizo pasar la muestra de aire contaminado a través de la solución acoplando a la bomba el burbujeador. La cantidad de aire que pasa depende del grado de contaminación por CO 2. Terminado esto, se pasó la solución a un Erlenmeyer de 250 mL. Para cuantificar la contaminación, se añadió cinco gotas fenolftaleína y se valoró con ácido oxálico al 0,1 N, anotando el volumen de ácido, tomando en cuenta que cada mL de este ácido gastado equivale 1 mg de CO 2.
Figura 2 Burbujeador
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5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En este capítulo se muestran los resultados obtenidos de los análisis realizados para determinar la concentración de dióxido de carbono en la muestra de aire contaminado. Primeramente, se presenta la reacción por la cual se obtuvo el dióxido de carbono presente en la muestra de aire contaminado, además de la valoración utilizada para conocer la concentración de CO 2 en la muestra, realizando las conversiones correctas y dejando la concentración en g/L.
5.1 Determinación de dióxido de carbono Después de haber dado una hora a la solución absorbente de hidróxido de bario en el burbujeador, la cantidad de aire que paso fue en dependencia del grado de contaminación por CO 2, se hizo pasar la solución a un Erlenmeyer de 250 mL, la solución obtenida fue de color turbio lo que indica que se formó el carbonato de bario y en consecuencia el aire se contamino por CO 2. Después se valoró con ácido oxálico al 0,1 N, usando fenolftaleína como indicador obteniéndose una solución de color rosado fucsia y al evaluar el vire de color ocurrió con 39 mL Ba(OH)2. La reacción entre el hidróxido de bario y el dióxido de carbono fue la siguiente: ()2 + 2 → + 2
(1)
Figure 3 Solución de BaCO3
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Debido a que ya se sabe que los mL gastados que equivalen a los mg de CO 2, se realizan los siguientes cálculos con el fin de conocer la concentración final de dioxido de carbono expresada en mg/L. 39 á á á á =
5
×
= 780
2
(1) Es decir que en la muestra de aire a analizar se obtuvo una concentración de 780 mg/L de dióxido de carbono, realizando la siguiente conversión se obtiene la cantidad en g/L.
×
1 1
=
.
2
(2)
Figura 4 Color obtenido, después de la valoración
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6. CONCLUSIONES El dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro que se forma en todos aquellos procesos que tienen lugar la combustión en sustancias que contienen carbono, en la práctica de laboratorio se pudo determinar la concentración de dióxido de carbono en en una muestra de aire obteniéndose una una cantidad de 0,78 g de CO2,es una concentración relativamente baja, la cual tiene sentido debido a que el laboratorio se encuentra en una zona cerrada y técnicamente libre de gases contaminantes, lo más probable es que el dióxido de carbono provenga de la respiración humana por parte de los estudiantes. En grandes concentraciones el dióxido de carbono se convierte en un asfixiante simple es decir que actúa básicamente por el desplazamiento del oxígeno y que a elevadas concentraciones puede causar dolor de cabeza, mareos, somnolencia y problemas respiratorios, dependiendo de la concentración y de la duración de la exposición. La concentración y dispersión del dióxido de carbono están sujetas a varios factores o condiciones como lo son el área evaluada y la presencia de personas, en pocas palabras el resultado de la concentración varía según las condiciones en las cuales se realice el muestreo.
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7. RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES Usar detectores de presencia en pasillos y baños, para que estos únicamente alumbren únicamente cuando se encuentren personas presentes, además optar por dispositivos de bajo consumo como son los focos ahorradores o LED, los cuales duran mucho y tienden a consumir menos energía. Disminuir el uso del aire acondicionado si la persona lo tiene, optando por abrir las ventanas para aprovechar las corrientes de aire o utilizar los abanicos los cuales consumen menos energía.
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8. LISTA DE REFERENCIAS Benavides, H & Leon, G. (2007). Información técnica sobre gases de efecto invernadero. (Trabajo de grado). Subdirección de Meteorología. IDEAM. Braga, L. (2007). Dióxido de carbono. Recuperado http://www.cricyt.edu.ar/enciclopedia/terminos/DioxiCar.htm
de
Granillo, P., Valdivia, B & Villarreal, M. (2012). Biología general de los ecosistemas vivientes. México D.F. Grupo Editorial Patria. IPPC. (2005). La captación y el almacenamiento de dióxido de carbono. OMM. Melo, D. (2016). Informe de dioxido de carbono. Recuperado de https://www.scribd.com/document/324126196/INFORME-DIOXIDO-DECARBONO-docx Miller, T & Spoolman, S. (2009). Living in the Enviroment.16a ed, United Kingdom. Brooks Cole. Mota, C., Alcázar, L., Iglesias, M., Ballesta, M & Carvajal, M. (2010). Investigación sobre la absorción de CO2 por los cultivos más representativos de la región de Murcia. (Trabajo de grado). CEBASConsejo Superior de Investigaciones Científicas. Murcia, España. NJ
Health. (2016). Dioxido de Carbono. Recuperado http://nj.gov/health/eoh/rtkweb/documents/fs/0343sp.pdf
de
PRTR. (2015). Dióxido de Carbono. Recuperado de http://www.prtres.es/Dioxido-carbono-774112007.html Quereda, J & Montón, E. (1996). Dióxido de Carbono y Clima en el Litoral Mediterráneo. (Trabajo de grado). Universidad Universidad de Alicante. Alicante.
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9. ANEXOS Cuantifique la concentración de CO2 La concentración de dióxido de carbono es de 0,78 ppm CO 2
¿Qué función tiene la adición de ácido oxálico en la determinación de CO2? Realizar un cambio de coloración en la muestra, en este caso de rosado a blanco lo que indica la presencia de dióxido de carbono en la muestra dado que cada mL gastado en la titulación equivale a un mg de dióxido de carbono, cabe resaltar que el ácido oxálico es un fuerte reductor por lo cual la determinación de CO2 por medio de una titulación con ácido oxálico resulta ser un método satisfactorio.
Explique las reacciones de formación de CO2 en la presente práctica Ba(OH)2 + CO2 → BaCO3 + H2O
(2)
A través de la titulación con ácido oxálico se forma la reacción del hidróxido de bario que es la solución que se está valorando, con dióxido de carbono dando como producto carbonato y agua, cabe resaltar que, si existe carbonato de bario en la muestra, el aire se encuentra contaminado por dióxido de carbono
Investigue el destino final del CO2 El dióxido de carbono en su estado natural puede llegar a parar al aire y cumplir funciones vitales para los seres vivos como la de la fotosíntesis o la l a del proceso de respiración. En cambio, las altas concentraciones de dióxido de carbono que se liberan por medio del transporte, combustión de carburantes, entre otros, llegan a contaminar el aire y las capas de la atmosfera provocando un desequilibrio biológico y químico por medio de la dispersión de estos gases tóxicos, trayendo consigo una serie de efectos nocivos para los ecosistemas y los seres vivos.
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