Manual Practicas Catalisis (1)
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Manual de Prácticas Código FGA-73 v.00 Página 1 de 24 MANUAL DE PRÁCTICAS DE CATALISIS EVER ALONSO PALACIOS JAIMES, MSc. [email protected] FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍAS QUÍMICA, AMBIENTAL Y CÍVIL PROGRAMA DE ING. QUÍMICA PAMPLONA, NORTE DE SANTANDER, COLOMBIA
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MANUAL DE PRCTICAS DE CATALISIS
EVER ALONSO PALACIOS JAIMES, MSc.
FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA
DEPARTAMENTO DE INGENIERAS QUMICA, AMBIENTAL Y CVIL
PROGRAMA DE ING. QUMICA
PAMPLONA, NORTE DE SANTANDER, COLOMBIA
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2014
INDICE DE CONTENIDO
Introduccin
Normas de seguridad
Pg.
Prctica 1: Cintica Qumica 5
Prctica 2: Isotermas de Adsorcin de cido Actico sobre Carbn
Activado 8
Prctica 3: Evaluacin de catalizador Heterogneo CaO en la Produccin
de Biodiesel a partir de aceite de cocina 10
Prctica 4: xidos de Metales Dctiles Impregnados sobre Magnetita:
Nuevos catalizadores en Sntesis Orgnica 15
INTRODUCCION
Se puede afirmar que el avance de todas las ciencias durante el siglo pasado se debi a
la aplicacin rigurosa del mtodo cientfico. La observacin y explicacin
satisfactoria de los diferentes fenmenos aunados a la experimentacin, fundamentan
la estructura de la ciencia. El respeto a la verdad que se puede demostrar, conduce al
establecimiento de leyes y generalizaciones.
Los pasos del procedimiento cientfico se pueden describir de la forma siguiente, se
presenta inters sobre algn fenmeno y posteriormente, este fenmeno se somete a
un estudio e investigacin para determinar si se puede formar un conjunto ordenado
de conclusiones. Generalmente las primeras conclusiones suelen ser afirmaciones
cualitativas respecto al comportamiento, a menudo es posible obtener conclusiones
cuantitativas mediante una experimentacin continua y un refinamiento de las
tcnicas. Cuando se descubren relaciones matemticas bien definidas, se les llama
leyes, una ley es por tanto, una explicacin matemtica de la regularidad del
comportamiento. Por ejemplo, la ley de los gases ideales es una expresin matemtica
de las relaciones volumen-presin-temperatura en un gas. Mediante una acumulacin
mayor de datos, tambin puede demostrarse que una cierta ley es nada ms
aproximada y puede llegarse a obtener una expresin ms exacta que la que se
desarroll la primera vez.
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El siguiente paso despus del desarrollo de una ley o de un conjunto de leyes es la
generacin de una hiptesis que proponga un mecanismo para explicar los fenmenos
observados y las conclusiones. Si la hiptesis explica un cierto nmero de leyes y si
las predicciones basadas en esa hiptesis resultan ser correctas, se convierte entonces
en una teora. sta puede considerarse por lo tanto, como una hiptesis bien
establecida y de gran valor.
El valor de una teora o de una hiptesis reside no solo en que ofrece una explicacin
a determinada ley ya establecida, sino tambin en cuanto a que permita al investigador
predecir otras leyes y formular experimentos para corroborar esas predicciones. Por
ejemplo, la teora cintica de los gases es una explicacin aceptable de la forma en
que se comportan los gases y a partir de ella se pueden predecir casi todos los
fenmenos gaseosos observados. La prueba total o final de una teora es, en la
mayora de los casos, una imposibilidad. Los cientficos estn seguros que la teora
atmica es esencialmente correcta, pero nunca se ha logrado una demostracin total.
El proceso de desarrollo de la observacin y los hechos a las leyes, la hiptesis, y la
teora, se conocen como el mtodo cientfico. La aplicacin de ste ha contribuido al
desarrollo de la termodinmica como ciencia. La intencin del laboratorio de
termodinmica II es que el estudiante a travs de mtodos experimentales, compruebe,
consulte y aplique las leyes y principios termodinmicos vistos en clase.
En el anlisis termodinmico de un problema se le confiere nfasis a los cambios de
energa asociados con los fenmenos y a los mecanismos de los procesos, por lo que
no se necesita postulado alguno sobre la estructura fundamental de la materia. El
tratamiento termodinmico es riguroso, pero a menudo es ms directo y claro. Sin
embargo, requiere de un mayor conocimiento de las matemticas, especialmente del
clculo, que el tratamiento cintico.
NORMAS DE SEGURIDAD
Durante la estancia en el laboratorio el alumno deber llevar obligatoriamente gafas
de seguridad y bata. Las lentes de contacto pueden resultar muy peligrosas.
Los guantes debern utilizarse durante la manipulacin de productos custicos.
El pelo largo debe llevarse recogido.
No se dejaran en el laboratorio mochilas, abrigos, bolsos.
Est terminantemente prohibido fumar o consumir alimentos o bebidas en el
laboratorio.
No se debe llevar a la boca ningn producto qumico, para conocer su sabor, ni
tampoco tocarlos con las manos.
Hay que lavarse las manos y quitarse la bata antes de salir del laboratorio.
NORMAS PARA LA UTILIZACIN DE PRODUCTOS QUMICOS
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Evitar el contacto de los productos qumicos con la piel. No pipetear con la
boca, utilizar embudos para trasvasar lquidos y propipetas.
Si accidentalmente se vierte un cido u otro producto qumico corrosivo se
debe consultar al profesor(a).
Para detectar el olor de una sustancia, no se debe colocar la cara directamente
sobre el recipiente: utilizando la mano abierta como pantalla, es posible hacer
llega una pequea cantidad de vapor hasta la nariz. Los frascos deben cerrarse
inmediatamente despus de su uso.
En la preparacin de disoluciones debe agitarse de modo suave y controlado para
evitar salpicaduras.
Los cidos requieren un cuidado especial. Manipularlos con precaucin y en
la vitrina. Cuando queramos diluirlos, nunca echaremos agua sobre ellos; siempre al
contrario es decir, cido sobre agua.
Antes de utilizar cualquier producto, debemos fijarnos en los pictogramas de
seguridad de la etiqueta, con el fin de tomar las medidas preventivas
oportunas.
Cuando se caliente una sustancia en un tubo de ensayo, el extremo abierto del
tubo no debe dirigirse a ninguna persona cercana a fin de evitar accidentes.
Extremar las precauciones en el encendido de los mecheros, manteniendo la
llama encendida durante el tiempo estrictamente necesario.
En principio, si no se tiene otra informacin fiable, se debe suponer que todos
los productos qumicos son txicos, y que todos los disolventes orgnicos son
inflamables debiendo mantenerlos alejados de las llamas.
NORMAS PARA LA UTILIZACIN DE INSTRUMENTACIN
Cuando se determinan masas de productos qumicos con balanza se utilizar
un recipiente adecuado.
Se debe mantener perfectamente limpio y seco el lugar dnde se encuentre
situado cualquier instrumento con contactos elctricos. Leer las instrucciones
de uso de los instrumentos.
Debe revisarse el material de vidrio para comprobar posibles fisuras,
especialmente antes de su uso a vaco o presin.
En las calefacciones con manta calefactora se ha de utilizar debajo un gato o
bloque de madera para poder enfriar rpidamente en caso necesario. No hay
que tener nunca en marcha mantas o placas calefactoras sin un recipiente al
que calentar.
En los montajes de reflujo y destilacin hay que aadir el germen de ebullicin
(plato poroso) en frio, las juntas esmeriladas deben estar bien ajustadas. No
abandonar nunca el puesto de trabajo mientras se est llevando a cabo alguna
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reaccin, destilacin o medida.
NORMAS PARA RESIDUOS
En el laboratorio existen contenedores debidamente etiquetados donde se
introducirn en su caso, los residuos generados.
NORMAS DE EMERGENCIA
En caso de tener que evacuar el laboratorio, cerrar la llave del gas y salir de
forma ordenada siguiendo en todo momento las instrucciones que haya
impartido el Profesor. Localizar al iniciar la sesin de prcticas los diferentes
equipos de emergencia en el correspondiente laboratorio: D-Duchas y
lavaojos, E-Extintores, M-Mantas ignfugas, B-Botiqun, AB-Absorbente para
derrames, AL-Alarma de emergencia, S-Salida de emergencia y V- Recipiente
para el vidrio roto
7.3. Normas de trabajo
Est prohibido fumar, comer y beber en el laboratorio.
No llenar los tubos de ensayo ms de 2 3 cm.
Calentar los tubos de ensayo de lado, utilizando pinzas y sin dirigir el extremo
abierto hacia otras personas.
Utilizar siempre gradillas y soportes.
No llevar material de vidrio ni productos en los bolsillos de la bata.
No trabajar separado de la mesa de laboratorio.
No inhalar nunca un producto qumico.
No tocar con las manos ni probar los productos qumicos.
No pipetear con la boca.
Manipular los productos qumicos que puedan desprender vapores txicos o
corrosivos en la vitrina de gases.
No calentar lquidos en recipientes totalmente cerrados. Si el lquido es
inflamable evitar el uso de llamas.
Asegurar el enfriamiento del material que se ha calentado antes de sujetarlo
con la mano.
Asegurarse de la desconexin de aparatos, agua y gases al finalizar.
Al finalizar una tarea, recoger materiales, reactivos y equipos.
Antes de salir del laboratorio lavarse las manos con jabn y agua abundante.
PRCTICA 1. CINTICA QUMICA
OBJETIVOS
Analizar el efecto de la concentracin sobre el tiempo requerido para el tiempo
de reaccin.
Determinar la concentracin de un componente de la reaccin qumica en
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funcin del tiempo.
Conocer los factores que dependen para la velocidad de reaccin en un
proceso.
En esta prctica se estudiarn las siguientes reacciones:
22
22
424
22442422424
108205162
10820532
COOHMnCHMnO
COOHMnSOSOKCHSOHKMnO
El color de la mezcla reaccionante es rosado debido a la presencia del in
permanganato y los productos son incoloros. Por lo tanto, la desaparicin del color
rosado indica que la reaccin es completa.
MATERIALES Y REACTIVOS
Tubos de ensayo Permanganato de potasio 0.0005 M
Termmetros cido sulfrico 0.25 M
Vaso de precipitado de 400 ml Sulfato de manganeso 4.5 M
Mechero cido oxlico 0.0025 M
Trpode Agua destilada
Malla de asbesto
Hielo
PROCEDIMIENTO
En 6 tubos de ensayo coloque 5 ml de 4KMnO y adale a cada uno de los tubos 1 ml
de 42SOH 0.25 M.
En otros 6 tubos de ensayo coloque 9 ml de cido oxlico 0.0025 M.
Tome un tubo del literal 1 y del 2 y colquelos en un vaso de 400 ml con agua a 25
C , espere 5 min para que ambos tubos adquieran la misma temperatura y a
continuacin mzclelos rpidamente dejndolos en el bao a 25 C , anote el tiempo de
la reaccin el primer contacto; hasta que el color desaparezca.
Repita el procedimiento anterior con otros dos tubos de ensayo a 35 C , 45 C , 55 C y
65 C .
Los dos tubos ltimos tubos de ensayo que le quedan llvelos a 25 C , pero al que
contiene cido oxlico agrguele una gota de 4MnSO 4.5 M antes de mezclarlos.
Anote el tiempo e la reaccin.
OBSERVACIONES DE LA PRCTICA
Complete el siguiente cuadro:
PRUEBA T C T. INICIAL T. FINAL At en s. RELACIN
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DE T
Por qu factor queda multiplicada la velocidad de reaccin al aumentar la
temperatura 10 C ?
Construya una grfica de tiempo (Y) Vs temperatura (X) en papel milimetrado.
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PRCTICA 2. ISOTERMAS DE ADSORCIN DE CIDO ACTICO SOBRE
CARBN ACTIVADO TEMPERATURA AMBIENTE
OBJETIVOS
Determinar la isoterma de adsorcin del cido ac sobre carbn activo
Se realizar la determinacin de los pares de puntos (nads, C), para las isotermas de
adsorcin del cido actico sobre carbn a temperatura ambiente, y a los cuales se
linealizarn para determinar los parmetros caractersticos de las isotermas de
Freundlich, y corroborar el ajuste a un nivel de precisin y exactitud acertado.
MATERIALES Y REACTIVOS
Pipeta Agua destilada
6 Frascos con tapa o erlenmeyer con tapa cido actico 0.05 M
1 erlenmeyer para las valoraciones fenolftalena
3 buretas de 50 ml Hidrxido sdico 0.1 M
Matraces aforados de 250 y 1000 ml Carbn activo
6 erlenmeyer de 100 ml Ftalato de potasio
Probeta de 10 ml Papel filtro
3 Vasos precipitados de 50 ml
PROCEDIMIENTO
En el matraz de 250 ml se prepara la disolucin de cido actico y en el de 1000 ml la
disolucin de hidrxido sdico 0,1 M estandarizado, como agente valorante (pesar
una cantidad de hidrxido sdico y estandarizarlo con un patrn primario como ftalato
de potasio). Se llenan tres buretas, en una de ella se llena con agua destilada, la
segunda bureta se llena con cido actico y la tercera con hidrxido sdico. Se valora
la concentracin de cido actico para determinar la concentracin inicial con que se
parte, para ello con ayuda de una pipeta se coge una alcuota de 10 ml de cido
actico, se aade unas gotas de indicador y se procede a su valoracin y el punto final
cuando se vuelva ligeramente rosa. Ahora en cada uno de los frascos color topacio, se
prepara las seis disoluciones en las que se mezclan distintas cantidades de acido
actico y agua.
1. 50 ml HAc
2. 25 ml de HAc + 25 ml de H2O
3. 15 ml de HAc + 35 ml de H2O
4. 7.5 ml de HAc + 42.5 ml de H2O
5. 4 ml de HAc + 46 ml de H2O
6. 2 ml de HAc + 48 ml de H2O
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Luego se aade 2 g de carbn activo directamente a la disolucin en la balanza,
inmediatamente se activa el cronmetro y se agita la disolucin durante los 10 min.
Luego se filtra la disolucin en uno de los erlenmeyer que se dispone, se escoge la
alcuota y se valora. Se procese como anteriormente, es decir se agrega unas gotas de
fenolftalena y se valora con hidrxido sdico y se repite con cada una de las
disoluciones.
OBSERVACIONES DE LA PRCTICA
Complete el siguiente cuadro:
DIS
OLU
CI
N
CON
CEN
TRA
CIN
INICI
AL
DE
LA
DISO
LUCI
N
VOLU
MEN
DE
ALICU
OTA
PARA
VALO
RAR
VOLU
MEN
DE
NaOH
GAST
ADO
CONC
ENTR
ACIN
QUE
QUED
A
LIBRE(
Y)
CONC
ENTR
ACIN
ADSO
RBIDA
(X)
CONCE
NTRACI
N
ADSOR
BIDA
POR
GRAMO
DE
ADSOR
BENTE(
X/m)
LOG
(Y)
LOG
(X)
1
2
3
4
5
6
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PRCTICA 3. EVALUACIN DEL CATALIZADOR HETEROGENEO CaO
EN LA PRODUCCIN DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE DE COCINA
OBJETIVOS
En la prctica experimental se utiliza aceite de cocina como fuente principal
para el proceso de produccin de Biodiesel, bajo dos condiciones claves: En la
primera se utiliza CaO como catalizador libre dentro de la reaccin y en la
segunda se utiliza CaO como un catalizador soportado en KNO3, para de esta
manera verificar la eficiencia obtenida.
Estudiar Las variables ms relevantes en la reaccin de transesterificacin:
Materia prima, temperatura de la reaccin, relacin molar alcohol: aceite
vegetal, tipo y cantidad del catalizador, velocidad de la agitacin
En esta prctica se estudiar la siguiente reaccin:
Materiales y Reactivos
Oxido de calcio (CaO)
Nitrato de potasio (KNO3).
Metodologa Experimental
El proceso experimental consiste principalmente en evaluar el CaO como catalizador
heterogneo en la produccin de biodiesel a partir de aceite de cocina.
La primera parte de la metodologa experimental consiste en la preparacin del
catalizador
Preparacin del Catalizador
En la preparacin catalizador se utilizaron los siguientes reactivos:
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Oxido de calcio (CaO), y nitrato de potasio (KNO3).
Se evalu el catalizador por medio de dos procedimientos el primero en el cual solo se
le dio un tratamiento trmico y el segundo en el cual se impregno con la sal de nitrato
de potasio, con el fin de que quedara soportado sobre K.
El procedimiento llevado a cabo en la preparacin consiste en:
Trituracin del xido de calcio, hasta quedar prcticamente polvo.
Posterior se realiza un proceso de secado durante 5 horas a 110C
Posteriormente se lleva a calcinacin durante 5 horas a 550C
Para el caso del CaO soportado sobre nitrato de potasio el procedimiento es similar
solo que despus del proceso de triturado se impregna con una solucin de
nitrato de potasio, con el peso de la sal correspondiente al 20% en peso de la
masa de CaO. Luego de la impregnacin se realiz una filtracin para eliminar el agua
de la disolucin y posterior se realiza el proceso de secado a 110C, y por ltimo el
proceso de calcinacin pero en este caso se realiza un proceso por etapas aumentando
la temperatura desde 100C hasta 550C cada cierto tiempo.
Despus del proceso de calcinacin se obtienen los catalizadores listos para poder
utilizarlos en el proceso de transesterificacin.
Proceso de transesterificacin
Una vez listo los catalizadores, se procede a realizar el proceso experimental de la
transesterificacin.
En el siguiente esquema se muestra el procedimiento experimental.
Figura 1. Esquema experimental del proceso de transesterificacin con
catalizadores heterogneos
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A continuacin se muestra el montaje experimental que se lleva a cabo para realzar la
transesterificacin
Figura 2. Esquema general de la instalacin experimental del proceso de
transesterificacin con catalizadores heterogneos
Respecto a la figura 1 se debe aclara que no se utiliz la jeringuilla para extraer
muestras durante el tiempo de reaccin, se utiliz un termmetro en vez de la sonda
termomtrica.
Respecto a la relacin de los reactivos a utilizar se pesa 300g de aceite de cocina y 90
mL de metanol
Para el procedimiento de la evaluacin de los catalizadores el procedimiento entre el
CaO sin soportar y soportado es diferente.
Respecto al CaO sin soportar, este primero se mezcla con el metanol con el fin de
obtener una mejor forma de interaccin del catalizador con los reactivos.
Y el aceite se calenta hasta una temperatura prxima a los 160C. Una vez la
temperatura del aceite elevada por encima de los 100C se procede a introducir por
una boca del baln, el metanol con el catalizador, tener en cuenta que se puede
presentar el inconveniente que el metanol se evapore debido a la temperatura del
aceite que es superior a su temperatura de ebullicin. Y se escapa parte del metanol,
pero no todo, se acab de introducir el resto de metanol (sugerencia, se recomienda
que se haga uso de una jeringuilla para introducir el metanol al baln de tres bocas y
as evitar prdidas de reactivo).
En el caso del reactor soportado se agrega conjuntamente todos los reactivos antes de
empezar el proceso de calentamiento.
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Se estima que el tiempo de reaccin es de 1.5 horas a temperatura de 160C y de 5 a 6
horas si se realiza a 60C.
Despus del proceso de reaccin se lleva a cabo una filtracin de la mezcla con el fin
de separar el catalizador, y posterior se coloca la mezcla en un decantador y se
separaron las dos fases la acuosa (biodiesel) de la fase aceitosa u orgnica (glicerina)
por decantacin
Despus de determina midiendo en una probeta el volumen de biodiesel producido.
RESULTADOS ESPERADOS
A continuacin se presenta una serie de tablas que relaciona las cantidades utilizadas
en cada uno de los experimentos.
Oxido de Calcio sin soportar
Tabla 1. Datos experimentales utilizados
Compuesto Cantidad
Aceite 300 g
Metanol 90 mL
CaO 3,0123 g
Tabla 2. Resultados cantidades a obtener
Compuesto Cantidad
Glicerina 220 mL
Biodiesel 90 mL
Oxido de Calcio soportado
Tabla 1. Datos experimentales utilizados
Compuesto Cantidad
Aceite 300 g
Metanol 90 mL
CaO 3,0803 g
Tabla 2. Resultados cantidades a obtener
Compuesto Cantidad
Glicerina 340 mL
Biodiesel 70 mL
Las tablas anteriores muestran los datos a obtener y tambien determinar las
densidades del biodiesel.
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ANLISIS DE RESULTADOS
En base a un valor medio en este intervalo de 0.880g/mL, se puede obtener la
siguiente tabla:
Cat.
Volume
n
Biodiese
l (mL)
Masa
biodiesel
(g)
Rendimiento
(%)
CaO 80 70,4 23,47
CaO/
K 90 79,2 26,4
Bibliografa
Enio G. de Azevedo Rocha, Luis A. Follegatti-Romero, Srgio Duvoisin Jr., Martn
Aznar, Liquidliquid equilibria for ternary systems containing ethylic palm oil biodiesel;glycerol/water: Experimental data at 298.15 and 323.15K and
thermodynamic modeling, Fuel, Volume 128, 15 July 2014, Pages 356-365, ISSN
0016-2361
Biodisel: Produccin, calidad y caracterizacin. Pedro Nel Benjumea Hernndez,
John Ramiro Agudelo Santamara, Luis Alberto Rios. Universidad de Antioquia
Manual de construccin y uso de reactor para produccin de biodisel a. By Fernando
Acosta, Paula Castron y Elsa Cortijo. Soluciones prcticas. 2009.
Qu es el biodesel?. BioDieselSpain. Pagina web vista el 7/11/2014.
http://www.biodieselspain.com/que-es-el-biodiesel/
What is biodiesel?. Biodiesel Basics. Pgina web disponible 07/11/2014.
http://www.biodiesel.org/what-is-biodiesel/biodiesel-basics
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PRCTICA 4. XIDOS DE METALES DCTILES IMPREGNADOS SOBRE
MGNETITA: NUEVOS CATALIZADORES EN SINTESIS ORGNICA
OBJETIVOS
Preparar xidos de metales impregnados sobre magnetita
Comparar los rendimientos utilizando el catalizador y el catalizador soportado
Metodloga Experimental
La magnetita, 43OFe es un xido mixto de hierro que debe su nombre a una antigua
ciudad de Grecia, Magnes, que dio nombre a la regin conocida como Magnesia
donde su presencia fue importante. Este material se utiliz como la primera brjula en
navegacin y desde la antigedad fue explotado como fuente de hierro. La magnetita
posee una estructura cbica de espinela (Fig.1): los tomos de oxgeno (esferas
verdes) forman una celdilla unidad cbica centrada en las caras y los cationes de Fe
ocupan los huecos intersticiales. Los huecos tetradricos (esferas rojas) estn
ocupados por los iones de Fe3+, mientras que los octadricos (esferas amarillas) estn
ocupados por iones de Fe2+ y Fe3+ por igual. Los electrones pueden saltar entre los
iones de Fe2+ y Fe3+ en los huecos octadricos a temperatura ambiente,
proporcionando al a magnetita propiedades de semimetal.
El uso directo de la magnetita sin modificar como catalizador en reacciones orgnicas
ha ido aumentando en los ltimos aos. Gracias a sus propiedades redox la magnetita
se ha utilizado como catalizador nico para distintos procesos, como la epoxidacin
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de alquenos usando oxigeno molecular y en ausencia de otros agentes oxidantes, o en
los procesos industriales de formacin de amoniaco y de preparacin del gas de agua.
Recientemente la magnetita se ha utilizado, como es la alquilacin de aminas
mediante el uso de alcoholes como fuente de electrfilo, a travs de la llamada
autotransferencia de hidrogeno, obtenindose como nico subproducto de la reaccin
agua, pudindose rehusar, en este caso, el catalizador hasta en 10 ciclos sin prdida de
actividad.
Reduccin de nitroarenos:
2
21,80,tan
)6(.%)60(
2
242
43
NHRNORhColE
equivOHHNmolOFe
Se anexa el documento con el procedimiento para preparar el catalizador:
PREPARACIN DE NANOPARTCULAS DE MAGNETITA POR
LOS MTODOS SOL-GEL Y PRECIPITACIN: ESTUDIO DE LA
COMPOSICIN QUMICA Y ESTRUCTURA
a* a a a Gino Picasso , Jaime Vega , Rosario Uzuriaga , Gean Pieer Ruiz
RESUMEN
En este trabajo se ha preparado muestras nanoparticuladas basadas en magnetita por
los mtodos sol-gel y precipitacin. En el primer caso se aplicaron 2 variantes: por
crecimiento del sol a partir de precursor nitrato y etilenglicol como disolvente y
agente reductor y por hidrlisis forzada y control estrico a partir de precursor sulfato
y citrato de sodio. En el segundo caso se ha empleado como precursor sulfato de
hierro, hidrxido de amonio como agente precipitante y etilenglicol como surfactante.
Las muestras se han caracterizado mediante las tcnicas de difraccin de rayos X
(XRD), adsorcin-desorcin de N (mtodo 2 BET) y espectroscopa Mssbauer. Los
resultados de los difractogramas XRD indicaron la formacin mayoritaria de la
especie magnetita que se evidenci por la presencia de los picos caractersticos en las
siguientes posiciones: 30,06 , 35,42 ; 62,55 . El valor del rea superficial promedio
medida por la tcnica BET de las muestras de magnetita fue entre 40 a 50 m2/g con
una isoterma tipo IV correspondiente a una superficie mesoporosa. El espectro
Mssbauer de la muestra de magnetita obtenido por sol-gel y realizado a temperatura
ambiente detect la presencia de 2 sextetos conformados por 2 sitios: uno octadrico
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(Fe2+, Fe3+) y otro tetradrico (Fe3+). El tamao de grano de las muestras de
magnetita se estim a partir del tamao de la cristalita segn la ecuacin de Scherrer y
de la superficie especfica, obtenindose un dimetro medio en el rango de 2 a 20 nm.
Palabras clave: Nanopartculas de magnetita, sol-gel, precipitacin
INTRODUCCIN
La magnetita (Fe O ) en forma nanoparticulada ha encontrado diversas aplicaciones en
el 3 4 campo de la biomedicina: en fenmenos como la hipertermia y el transporte
selectivo de frmacos, ambos de prometedor futuro en la terapia del cncer, en el
mejoramiento por contraste de las imgenes por resonancia magntica, en la
reparacin de tejidos, como portador de drogas, en la separacin celular, en la
reduccin de la toxicidad de los fluidos biolgicos, entre otros1-5. Diversos xidos
nanoestructurados basados en magnetita han resultado ser buenos dispositivos para la
manufactura de materiales magnticos, pelculas de proteccin sensibles,
catalizadores, pigmentos. De manera particular, la magnetita ha sido usada en
aplicaciones biomdicas como un trazador para la reparacin de tejidos, para el
mejoramiento de las propiedades de frmacos, deteccin temprana de algunos
carcinomas, entre otros6-8. Por otro lado, diferentes sistemas electroqumicos se han
usado en la determinacin de trifenilos y derivados, por ejemplo electrodos
qumicamente modificados con fibras de carbn, usando tambin electrodos de oro
soportado en complejos de fullerenos as como fibra de vidrio y pasta de carbono9-11.
Sin embargo, muchas de estas tecnologas son poco accesibles y bastante costosas
para su aplicacin en gran escala. El uso de sensores ms simples basados en
polmeros impresos depositados sobre magnetita e incorporados con pasta de carbn
podra modificar sustancialmente la deteccin de colorantes en especial el
trifenilmetano, para su posterior degradacin.
La investigacin de la magnetita nanoparticulada como componente principal de
sensores y su interaccin con polmeros de impresin molecular (MIP's) para la
deteccin de colorantes es interesante desde el punto de vista ambiental12-15. La
aplicacin de polmeros sintticos altamente estables, como los MIP's, en la deteccin
de colorantes, incrementa sustancialmente la selectividad de los sensores qumicos por
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las propiedades de reconocimiento molecular selectivo; ello es debido a que los sitios
de reconocimiento dentro de la matriz del polmero son complementarios al analito en
la forma y posicin de los grupos funcionales16. Algunos de estos polmeros tienen
altas selectividades y constantes de afinidad, comparables con los sistemas de
reconocimiento que ocurren naturalmente, tales como anticuerpos monoclonales o
receptores. La impresin molecular es un mtodo poderoso para preparar sitios de
reconocimiento sinttico con selectividad predeterminada para varias sustancias como
compuestos trifenilmetanos muy aplicados en la industria textil como precursor de
tintes y esmaltes para el teido de algodn, seda y otras fibras17, 18.
En los ltimos aos se han empleado diversos mtodos de preparacin de la magnetita
como sol-gel, precipitacin, spry pirlisis considerando algunos parmetros
experimentales como la temperatura de reaccin, concentracin inicial de los
reactivos, tiempos de residencia, velocidad de agitacin, pH de la solucin, tipo de
surfactante, entre otras12-14. En particular, el efecto de la presin en la sntesis de las
nanopartculas ha sido objeto de estudio por el mtodo de coprecipitacin15. El
inters de este trabajo se centra en la preparacin de nanopartculas de magnetita
como soporte de MIP's para aplicaciones como sensor de colorantes y para
aplicaciones biomdicas en la deteccin temprana de algunas enfermedades. En este
primer avance se presenta la preparacin de la magnetita por el mtodo sol-gel y
precipitacin, usando diferentes precursores. La relacin de las variables de
preparacin con las caractersticas estructurales de la magnetita obtenida es el objetivo
principal de este trabajo.
PARTE EXPERIMENTAL
Materiales de partida
Los materiales de partida fueron los siguientes:
1.- nitrato de hierro III, Fe(NO ) .9H O (99% pureza Merck, pf=404,00 g/mol).
2.- etilenglicol, OHCH CH OH (99,5% pureza Merck, pf=62,082 g/mol).
3.- sulfato de hierro (II), Fe(SO ).4H O (97% pureza Merck, pf=224 g/mol).
4.- sulfato de hierro (II), Fe(SO ).7H O (91% pureza Merck, pf=278 g/mol).
5.- hidrxido de amonio, NH OH (80% pureza Merck, pf=35 g/mol).
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6.- cido oleico, C H O (99% pureza Merck, pf=282 g/mol).
7.- citrato de sodio, C H Na O .2H O (Merck, pf=294,10 g/mol).
8.- hidrxido de sdio, NaOH (Merck, pf=40,01 g/mol).
9.- nitrato de sdio (Merck, pf=84,99 g/mol).
10.- nitrato de potasio KNO (Merck, pf=110,11 g/mol).
En este trabajo se ha sintetizado la magnetita por dos mtodos: sol-gel y precipitacin.
En el mtodo sol-gel la magnetita se forma a partir de un sol de metal para luego
formar el gel por crecimiento controlado del tamao de partcula, seguimiento del pH,
estabilizacin del tamao de partcula, entre otros factores. Se puede partir de
soluciones de Fe2+ o de Fe3+. Para obtener la magnetita, la oxidacin del Fe2+ o la
reduccin del Fe3+ debe ser un proceso controlado para obtener la relacin molar
apropiada de Fe2+/Fe3+ en la espinela inversa. En el mtodo de preciptacin, la
magnetita se forma a travs de la formacin de sales de oxo- hidrxido de hierro
mediante la agregacin lenta y controlada de iones HO- a partir de un agente
precipitante. A continuacin se describe de manera detallada los procedimientos
empleados para la preparacin de la magnetita por el mtodo sol-gel 19-22 y por
precipitacin23-24.
Preparacin de la magnetita por sol-gel
Por crecimiento del sol
El precursor metlico usado para la preparacin de las nanopartculas de xido de
hierro fue nitrato de hierro III, Fe(NO ) .9H O. Se disolvi 14 g de Fe(NO ) .9H O en
55g de etilenglicol, 3 3 2 3 3 2 empleado como disolvente y agente reductor21. El sol
resultante se calent a 80C por 2 horas en atmosfera inerte (flujo de N ) bajo
agitacin continua. Al finalizar este proceso, el sol 2 formado se calent a 110C hasta
la evaporacin total del lquido y el secado total del gel. Una vez obtenido el sol seco,
se calcin a una temperatura a 300C bajo atmsfera inerte por 2 horas para mantener
la presencia del Fe2+ en la espinela. Se dej enfriar durante 2 h en el recipiente
manteniendo el ambiente inerte.
Por hidrlisis forzada
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El precursor metlico empleado para la preparacin de las nanopartculas de xido de
hierro fue sulfato de hierro II, FeSO .7H O. Se disolvi 0,91 g de KNO (usado como
oxidanteintermedio) y 0,26 g de NaOH (usado como agente precipitante) en 90ml de
agua destilada en un baln de tres bocas y se mezcl con una solucin de Fe2+ que se
form a partir de la mezcla de 0,21 g de FeSO .7H O en 10ml 0,01M H SO en
atmsfera inerte para obtener una 4 2 2 4 oxidacin controlada; esta mezcla se agit
durante 2 horas19. Luego se calent a 90C sin agitacin por 24h para despus dejarlo
envejecer por 24h ms. Despus del envejecimiento se ha formado la espinela slida
que se dej enfriar en bao de hielo, acelerando la separacin.
Finalmente, el precipitado se separ del lquido con un imn por decantacin. El
slido obtenido fue lavado tres veces en un bao de agua por ultrasonido y se dej
secar a 60C por tres das.
Por control estrico
El precursor metlico empleado para la preparacin de las nanopartculas de xido de
hierro fue sulfato de hierro II (FeSO .7H O). Se disolvi 0,29 g de citrato de sodio C
H Na O .2H O 4 2 6 5 3 7 2 (usado como surfactante), 0,16 g de NaOH (agente
precipitante) y 17 g de NaNO (controlante 3
de la fuerza inica) en 19ml agua destilada; la mezcla se calent a 100C hasta formar
una
solucin translcida y se mezcl con 1 ml de solucin 0,1M FeSO .7H O; la solucin
obtenida 4 2 fue calentada a 100C por 1h20. Se enfri luego a temperatura ambiente,
se separ el slido obtenido con un imn y se decant. Finalmente se redisolvi varias
veces en agua destilada por ultrasonido y se dej secar a 60C por tres das.
Se repiti el proceso variando la concentracin del precursor FeSO .7H O para 0,05M
y 0,2M 4 2 para observar el efecto de la concentracin inicial del precursor y el
tamao de partcula en las propiedades magnticas como se ha comprobado en la
literatura22.
Preparacin de la magnetita por precipitacin
Los precursores metlicos usados para la preparacin de las nanopartculas de xido
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de hierro fue Fe (SO ) .5H O y Fe(SO ).7H O. La preparacin de las nanopartculas
por el mtodo de precipitacin consiste bsicamente en la precipitacin a partir de
sulfato de Fe (II) y sulfato de hierro (III) usando NH OH (100ml) como agente
precipitante en constante agitacin durante 4
1h a 9023-24. Luego se lav el precipitado y se sec a temperatura ambiental.
Posteriormente se aadi 100 ml de cido oleico (usado como primer surfactante) a
una temperatura de 80C durante 2 horas. Se procedi luego a lavar y secar por 1 da a
temperatura ambiental. Se aadi finalmente 30 ml de etilenglicol (usado como
segundo surfactante) gota a gota y 30 ml de H O 2 destilada23. Se dej envejecer por
1 da a temperatura ambiental para luego lavar el precipitado con agua destilada,
secarlo o a 90 C y calcinarlo a 200 C durante 1 h. El uso de hidrxido de amonio
como agente precipitante fue debido a que presenta una solubilidad elevada e implica
condiciones de alcalinidad (pH > 11) por la formacin de OH- :
NH3+ H2O ----------> NH4+ + OH-
Esta base genera los iones OH- de una manera lenta (Kd=1,8.10-5) permitiendo
obtener una nucleacin homognea con la formacin de los oxo-hidrxido de hierro,
evitando la agregacin de cmulos desordenados y, por tanto, controlando la
velocidad de reaccin.
Las condiciones de preparacin de las muestras de magnetita se resumen en la tabla 1.
Tabla 1. Lista de muestras basadas en nanopartculas de magnetita preparadas en este
trabajo
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PROCEDIMIENTO
Los catalizadores soportados, se van a preparar por la tcnica de impregnacin sobre
micropartculas de magnetita. Para ello se disuelve una sal del correspondiente metal
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en agua, seguidamente se aade la micropatculas de magnetita comerciales y a
continuacin se aumenta el pH para formar los hidrxidos, que permiten la unin del
catalizador a la superficie de la magnetita. La separacin y secado al aire del sistema
produce los distintos catalizadores. De forma similar se preparan catalizadores
bimetlicos mediante la disolucin de dos sales metlicas.
A continuacin se lleva a cabo la caracterizacin de estos catalizadores preparados.
Para determinar la cantidad del metal que se ha incorporado en cada caso se realiza un
anlisis de fluorescencia de rayos X (XRF, X-Ray Fluorescence). La superficie de los
catalizadores impregnados se determina mediante adsorcin fsica de gas de
nitrgeno. Mediante la aproximacin BET (Brunauer Ememett Teller) se determina el
rea de cada catalizador (m^2/g). Tambin se mide el rea de las micropartculas de
magnetita antes del proceso de impregnacin, determinndose en ~9.8 m^2/g.
BIBLIOGRAFA
1. Yang X., Chen L., Han B., Yang X., Duan H., Preparation of magnetite and tumor
dualtargeting
hollow polymer microspheres with pH-sensitivity for anticancer drug-carriers,
Polymer 51, 2010; 2533-2539.
2. Yazdania F., Edrissi M., Effect of pressure on the size of magnetite nanoparticles in
the
coprecipitation synthesis, Materials Science and Engineering B 171, 2010; 86-89.
3. Murbe J., Rechtenbach A., Synthesis and physical characterization of magnetite
nanoparticles for biomedical applications, Materials Chemistry and Physics 110,
2008;
426-433.
4. Li Z., Kawashita M., Araki N., Mitsumori M., Hiraoka M., Doi M., Magnetite
nanoparticles with high heating efficiencies for application in thehyperthermia of
cancer,
Materials Science and Engineering C 30, 2010; 990-996.
5. Grande Antonio H., Nanotecnologay nanopartculas magnticas: la fsica actual en
lucha
contra la enfermedad, Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fs.Nat. (esp.), vol. 101, N. 2, 2007;
pp
321-327.
6. Alexiou C, Diehl D, Henninger P, Iro H, Rockelein R, Schmidt W, Weber H, A
high field
gradient magnet for magnetic drug targeting. IEEE Trans. Applied Supercond, 2006;
16(2): 1527-1530.
7. Bedanta S, Kleemann W, Supermagnetism. Journal of physics.D, Applied physics,
42(1). ID: 65. Brigger, I., Dubernet, C., & Couvreur, Nanoparticles in cancer therapy
and
diagnosis. Adv. Drug Delivery Rev. 2009; 54(5): 631.
8. Fukumori Y, Ichikawa H, Nanoparticles for cancer therapy and diagnosis. Adv.
Powder
Technology, 2006; 17(1): 1.
9. Oliveira Mariana C.Q., Lanza Marcos R.V, Tanakac Auro A., Taboada Sotomayor
P.,
-
Manual de Prcticas
Cdigo FGA-73 v.00
Pgina 24 de 24
Flow injection analysis of paracetamol using a biomimetic sensor as a sensitive and
selective amperometric detector, Anal. Methods, 2010; 2, 507-512.
10. Moreira Luiz Fernando, de Vasconcelos Lanza M.R., Tanaka A.A., Taboada
Sotomayor
M.P., Selective UV-filter detection with sensors based on stainless steel electrodes
modified with polyaniline doped with metal tetrasulfonated phthalocyanine films,
Analyst 134, 2009; 1453-1461.
11. Jacometo Castilho T., Taboada Sotomayor M.P., Kubota Lauro Tatsuo,
Amperometric
biosensor based on horseradish peroxidase for biogenic amine determinations in
biological samples, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 37, 2005;
785-
791.
12. Valero-Navarro A., Medina-Castillo A., Fernndez-Snchez J., Fernndez-
Gutirrez A.,
Synthesis of a novel polyurethane-based-magnetic imprinted polymer for the selective
optical detection of 1-naphthylamine in drinking water, Biosensors and
Bioelectronics,
v. 26, Issue 11, 2011; p. 4520-4525.
13. Qiang Yu, Shubo Deng, Gang Yu, Selective removal of perfluorooctane sulfonate
from
aqueous solution using chitosan-based molecularly imprinted polymer adsorbents,
Water Research, volume 42, Issue 2008; 12, p. 3089-3097.
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![CATALISIS 1-[14]](https://static.fdocuments.es/doc/165x107/563db7b8550346aa9a8d5130/catalisis-1-14.jpg)
