Práctica de Laboratorio: Deteminación de Carbono e Hidrógeno

 

DETERMINACIÓN DE CARBONO E HIDRÓGENO

1. INTRODUCCIÓN

La determinación de la composición elemental de un compuesto orgánico es fundamental para su caracterización y estudio. El análisis cuantitativo de carbono e hidrógeno permite conocer la proporción de estos elementos en la muestra y constituye un paso clave en la determinación de su fórmula empírica y molecular.

Los compuestos orgánicos están formados principalmente por carbono e hidrógeno, aunque también pueden contener oxígeno, nitrógeno, azufre y otros elementos. La determinación de carbono e hidrógeno en una sustancia orgánica se basa en la combustión completa del compuesto en presencia de un exceso de oxígeno. Como resultado, el carbono se oxida a dióxido de carbono (CO₂) y el hidrógeno a agua (H₂O). Posteriormente, estos productos de combustión son capturados en agentes absorbentes adecuados y cuantificados para determinar la cantidad de carbono e hidrógeno presentes en la muestra original.

Este tipo de análisis es de gran importancia en la química orgánica, ya que permite verificar la pureza de un compuesto, compararlo con valores teóricos y determinar la presencia de impurezas. Con el desarrollo tecnológico, los analizadores elementales han permitido realizar esta determinación con mayor precisión y rapidez, facilitando el trabajo en investigación y control de calidad en la industria química y farmacéutica.

En esta práctica, se empleará un método clásico para la determinación de carbono e hidrógeno, lo que permitirá al estudiante comprender los principios fundamentales del análisis elemental y desarrollar habilidades en el manejo de técnicas experimentales.

2. OBJETIVOS

Objetivo general

• Determinar la cantidad de carbono e hidrógeno presentes en una muestra orgánica mediante un método de combustión y absorción de gases.

Objetivos específicos

• Comprender el fundamento teórico del análisis elemental de compuestos orgánicos.
• Realizar la combustión de una muestra orgánica para generar CO₂ y H₂O.
• Emplear soluciones absorbentes para la cuantificación de los productos de combustión.
• Aplicar cálculos estequiométricos para determinar el porcentaje de carbono e hidrógeno en la muestra analizada.
• Interpretar los resultados experimentales y compararlos con valores teóricos esperados.

3. FUNDAMENTO TEÓRICO

La química orgánica estudia los compuestos que contienen carbono, y uno de los aspectos más importantes es la determinación de su composición elemental. La metodología clásica para el análisis cuantitativo de carbono e hidrógeno se basa en la combustión completa de la muestra en un ambiente con exceso de oxígeno.

Para llevar a cabo la combustión, se introduce la muestra en un tubo de combustión que se calienta a alta temperatura en un flujo de oxígeno. El carbono presente en la muestra reacciona con el oxígeno formando CO₂ según la reacción:

Mientras tanto, el hidrógeno presente en la muestra se oxida a agua según la ecuación:

Los productos gaseosos generados son conducidos a través de sustancias absorbentes específicas: el dióxido de carbono es retenido por hidróxido de bario (Ba(OH)₂) o cal sodada (NaOH + CaO), mientras que el agua es atrapada en ácido sulfúrico concentrado (H₂SO₄) o cloruro de calcio anhidro (CaCl₂). La diferencia de masa antes y después del proceso de absorción permite cuantificar la cantidad de CO₂ y H₂O formados, y a partir de estos valores, se calcula la cantidad de carbono e hidrógeno en la muestra original.

Los analizadores elementales modernos han reemplazado en gran medida este método clásico en laboratorios industriales y de investigación, proporcionando resultados más rápidos y precisos. Sin embargo, la metodología clásica sigue siendo relevante en la enseñanza y en la validación de resultados experimentales.

4. MATERIALES Y REACTIVOS

Materiales:

• Tubo de combustión
• Soporte universal con pinzas
• Mechero Bunsen
• Matraz de absorción
• Balón de reacción con salida a tubos absorbentes
• Balanza analítica
• Cápsulas de porcelana

Reactivos:

• Muestra orgánica (por ejemplo, ácido benzoico)
• Oxígeno gaseoso
• Hidróxido de bario (Ba(OH)₂) o hidróxido de sodio (NaOH) en solución
• Ácido sulfúrico concentrado (H₂SO₄)
• Reactivo de cal sodada para absorción de CO₂

5. PROCEDIMIENTO

1. Pesar aproximadamente 0.5 g de la muestra orgánica con la balanza analítica.
2. Colocar la muestra en una cápsula de porcelana dentro del tubo de combustión.
3. Conectar el tubo de combustión a un sistema de absorción de gases.
4. Introducir oxígeno gaseoso al sistema y calentar progresivamente con el mechero Bunsen.
5. Observar la formación de CO₂ y H₂O, los cuales serán capturados en los matraces de absorción.
6. Registrar las masas antes y después del proceso de absorción.
7. Realizar los cálculos estequiométricos para determinar el porcentaje de carbono e hidrógeno en la muestra.

6. CÁLCULOS

1. Determinar la masa de CO₂ y H₂O capturados en los absorbentes.
2. Calcular la cantidad de carbono presente en la muestra a partir de la masa de CO₂ obtenida.
3. Calcular la cantidad de hidrógeno presente en la muestra a partir de la masa de H₂O obtenida.
4. Expresar los resultados en porcentaje respecto a la masa total de la muestra.

7. CUESTIONARIO

1. ¿Por qué es importante la determinación de carbono e hidrógeno en los compuestos orgánicos?
2. ¿Qué papel desempeñan los absorbentes en este experimento?
3. ¿Cómo se calcula el porcentaje de carbono e hidrógeno en una muestra orgánica?
4. ¿Cuáles son las principales limitaciones del método de combustión clásico?

8. REFERENCIAS

• Morrison, R. T., & Boyd, R. N. (1998). Química Orgánica. Pearson.
• Bruice, P. Y. (2011). Química Orgánica. Pearson.
• March, J. (2001). Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure. Wiley.