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DETERMINACIÓN DE CARBONO ORGÁNICO TOTAL POR EL MÉTODO DE WALKLEY BLACK Luna Violeta Chamorro Portilla, Katherine Suárez Orozco Universidad Icesi- Cl 18 #122-135 Facultad de Ciencias Naturales, Departamento de Ciencias Químicas, Laboratorio de Análisis instrumental. Santiago de Cali, Colombia – octubre 22 del 2019.

RESUMEN En esta práctica se cuantificó carbono orgánico en dos muestras: lactosa y metilcelulosa, por medio del método Walkley Black adaptado a espectroscopia de absorbancia en el rango ultravioleta-visible (UV-VIS) a 590 nm y una curva de calibración sencilla. Se obtuvo una concentración de 30,5 %de carbono en la muestra de metilcelulosa con un porcentaje de error de 42,34 %mientras que en la muestra de lactosa se obtuvo18,6 % de carbono con un porcentaje de error de 55,82 % . Se concluyó que con el método de Walkley Black no se oxida la totalidad del carbono orgánico pues el método depende de la calidad de la materia orgánica y factores metodológicos. Además, no se oxido por completo el carbono contenido en la muestra y por tanto no se obtuvo la cantidad exacta de carbono contenido en la muestra. Palabras clave: Carbono orgánico, Walkley Black, curva de calibración sencilla, espectroscopia de absorción UV-VIS, materia orgánica.

INTRODUCCIÓN

El carbono está presente en el suelo de diferentes formas, pero la más importante es la orgánica, la cual se considera como un indicador de calidad de suelo debido a su efecto benéfico sobre las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo que son importante para el desarrollo de la vida. [ CITATION CAR11 \l 3082 ] Para la determinación de materia orgánica se utiliza una técnica o método analítico denominado Walkley Black. La técnica

en consiste en la oxidación húmeda de una muestra con dicromato de potasio en un medio ácido como el ácido sulfúrico, cuando se incorpora el ácido sulfúrico a la muestra se lleva a cabo la oxidación parcial del carbono, al mismo tiempo se da una reducción del dicromato que equivale al contenido de carbono que se oxidó como se muestra en la ecuación 1. Sin embargo, este procedimiento presenta ventajas y desventajas. Una de las desventajas principales es la presencia de gran cantidad de ácido sulfúrico que

requiere la muestra, además, el producto de desecho, el cual es el ion cromo es toxico y cancerígeno por otro lado dentro de las principales ventajas, es una técnica fácil de realizar y económica (Saínz Rozas, Eyherabide, Barbieri & Echeverría, 2014). 2 Cr2 O

2−¿+ 3C +16 H +¿→4 Cr 7

3+¿ +3C O + 8H ( 1)¿ 2 2

¿

25mL. Luego, se procedió a medir las absorbancias para graficar la curva de calibración. Los resultados se muestran en la Tabla 2. Tabla 2. Resultados de la absorbancia de las soluciones estándar para la curva de calibración.

% Carbono

¿

En esta práctica de laboratorio se empleó el método de Walkley Black adaptado a espectrofotometría visible, para determinar carbono orgánico oxidable en dos muestras de excipientes farmacéuticos: lactosa y metilcelulosa CÁLCULOS Y RESULTADOS Se pesó 0,50479 g de sacarosa y se preparó una solución patrón de sacarosa. Se procedió a preparar seis soluciones estándar, contenidas en seis balones aforados, cada una de las soluciones preparadas contenían igual volumen de dicromato de potasio (2,5mL) y ácido sulfúrico (5,0mL), sin embargo, se varió el volumen de sacarosa añadido. Inicialmente se realizaron los cálculos para encontrar los correspondientes gramos de carbono como se muestra en la ecuación 2. Por otro lado, en la ecuación 3 se muestra el porcentaje de carbonos obtenido para cada caso, los resultados a partir de lo anterior se registraron en la tabla 1 (anexos).

0,21% 0,29% 0,42% 0,72% 0,84%

Absorbancia (nm) 0.624 0.666 0.688 0.301 1,196

Posteriormente, se preparó las dos muestras de lactosa anhídrida y metilcelulosa. Fue necesario calentar la muestra por 45 minutos para completar la reacción. La muestra se diluyó a 50mL, se filtró y se midió la absorbancia. Los resultados se muestran en la Tabla 3. Tabla 3. Resultados de la absorbancia de las diferentes muestras.

Muestra Metilcelulosa Lactosa anhidra

Absorbancia 0.205 0.196

Sin embargo, se tomaron los resultados proporcionados por otro equipo de trabajo, ya que se presentó diferentes errores dentro de la práctica. Los resultados obtenidos por el otro grupo de trabajo se muestran a continuación en las sacarosa∗12 ( 12,01 g C ) 4 y 5 sin embargo se tomó la 0,0025 g =1,05∗10−3 g C Tablas (2) 342,3 g sacarosa decisión de realizar la línea de con los milgranos de carbono con el fin de obtener en porcentaje de error valores −3 1,05∗10 g más óptimos. % C= ∗100=0,21 % (3) 0,5 g C Tabla 4. Resultados de absorbancia de la curva Las soluciones estándar se dejaron en reposo por 30 minutos y se diluyeron a

de calibración.

mg Carbono

Absorbancia (nm)

1,052 1,472 2,105 3,576 4,21

0.104 0.132 0.188 0.316 0,360

Tabla 5. Resultados de absorbancia de las diferentes muestras.

Muestra Metilcelulosa Lactosa anhidrida

Absorbancia (nm) 0.270 0.169

Con los resultados de la tabla 4 se realizó la curva de calibración sencilla como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Curva de calibración sencilla. Absorbancia vs mg de carbono

A partir de la ecuación obtenida de la figura 1, la cual corresponde a y=mx+b, se iguala a la absorbancia de cada una de las muestras utilizando la ecuación 4. mg de C=

|−0,0115| (4 ) 0,0845

mg de C metilcelulosa= mg de C lactosa=

0.270−0,0115 ( 4.2 )=3.05 mgC 0,0845

0.169−0,0115 ( 4 .3 )=1,86 0,0845 mg C

necesario encontrar el porcentaje de carbono por tanto se Por otra parte es

dividen los miligramos de carbono encontrados a partir de las ecuaciones 4.2 y 4,3 entre los miligramos de la muestra y multiplicar por 100. Como se muestra en ecuación 5 %C= % C celulosa = % C lactosa=

mg C ∗100 (5) mg Muestra

3.05 mg C ∗100=30,5 %( 6) 10 mg

1,86 mgC ∗100=18,6 %(7) 10 mg

Una vez conocida la cantidad o la concentración de carbonos en la muestra de celulosa y lactosa anhidra se realiza el

cálculo de porcentaje de error a partir de la ecuación 10. Sin embargo, es necesario calcular el porcentaje de error teórico a partir de la ecuación 8 y 10

% Cteorico= % Cteorico=

N o .Carbonos∗¿ ( PM ) C Lactosaanhidra

¿ (8)

12∗(12.01) X 100=42.10 % 342.3 g (9) N o .Carbonos∗¿ (PM )C ¿ (10) meticulosa

%Erro r Lactosaanhidra =

42.10−18,6 ∗100=55,82 % (11) 42.10

ANALISIS DE RESULTADOS Se determinó la cantidad de carbono orgánico oxidable en dos muestras de excipientes farmacéuticos: lactosa y metilcelulosa, aplicando el método de Walkley Black adaptado a espectrofotometría visible. Los excipientes son sustancias aditivas utilizadas en la formulación de tabletas para mejorar el volumen, la desintegración, la velocidad de disolución y la biodisponibilidad del fármaco. La lactosa y metilcelulosa son excipientes aglutinantes cuyo fin es proporcionar resistencia cohesiva a los materiales en polvo, por tanto, se usan como agentes de unión en tabletas. Los excipientes son sin duda cruciales para la producción y administración de fármacos ante diversas situaciones, por lo que el control de la funcionalidad de los excipientes es tan importante como el control de su identidad y de su pureza (Villafuerte, 2011).

Durante la práctica se cometió errores de tipo sistémicos personales durante la preparación de los estándares para la 29∗(12.01) curva de calibración. Se cree que el error % Cteorico= X 100=52,90 % 658,29 g fue en el momento de preparar las (11) soluciones estándar y no por algún error mientras se reposó las soluciones o por no filtrar dichas soluciones, pues desde que Teorico−Experimental se preparó las soluciones no se obtuvo el %Error= ∗100(12) Teorico color esperado. Además, al observar la inconsistencia en la lectura de las 52,90−30,5 Erro r Metilcelulosa = ∗100=42,34 % (13) absorbancias, se decidió filtrar dichas las 52,90 soluciones, pues no se había realizado este paso; se realizó la lectura de la % Cteorico=

absorbancia varias veces, pero se siguió presentando inconsistencias en las absorbancias por lo que se descartó un posible error en el paso de filtración. Posiblemente el no lavar el material de trabajo, contribuyó al error durante la preparación de las 2 primeras soluciones estándar que fue donde se observó datos atípicos. Lo anterior mencionado impidió el desarrollo de curva de calibración confiable, por lo que el análisis presente se desarrollará en base a los datos obtenidos de otro equipo de trabajo. Para la determinación de carbono orgánico por el método Walkley-Black, fue necesario oxidar 10mg de la muestra con una solución de dicromato de potasio estandarizada, utilizando el calor producido por la dilución de ácido sulfúrico concentrado, en la solución crómica. Respecto a los reactivos usados se debe tener en cuenta que el dicromato de potasio se emplea como patrón primario ya que sus soluciones son muy estables pudiéndose conservar indefinidamente, el ácido sulfúrico no debe ser de concentración menor de 96 % p/p ya que dentro del rango del 90 al 99% existe un incremento casi lineal de recuperación del CO del 1% por cada % de incremento en la concentración del ácido. La relación 2:1 de ácido: dicromato, indicada originalmente por Walkley y Black resulta ser la óptima para alcanzar temperaturas cercanas a los 120‐140 ºC, y para ello es conveniente una rápida disolución del ácido, evitando que queden partículas de suelo adheridas a las paredes del mismo y fuera del alcance de la mezcla oxidante. El nivel de oxidación dependerá no sólo de la temperatura

máxima alcanzada, sino también de la   persistencia del calor generado. Por ello tanto el recipiente utilizado en la reacción como el grado de aislamiento del medio son factores determinantes que regulan el control de la temperatura y que necesariamente deben ser normalizados. Así, temperaturas entre los 125 a 150 ºC mejoran el nivel de oxidación del C, pero debe tenerse presente que con temperaturas cercanas o superiores a los 150ºC se produce una rápida descomposición térmica del dicromato, catalizada por el propio Cr3+, dando en algunos casos valores superiores al 100% de recuperación (Carreira, 2004). Dado que en la práctica las muestras se calentaron a 100°C en la plancha de calentamiento, la temperatura de calentamiento no es del todo controlada por lo que posiblemente las muestras no se sometieron a la temperatura suficiente requerida para llevar a cabo la oxidación completa. La determinación de carbono se realizó por medio de espectrofotometría, cuantificando el color verde del ácido crómico reducido a λmax =590 nm, es decir la absorbancia obtenida en el momento de la lectura es proporcional a la materia orgánica que reacciona. Se realizó una curva de calibración sencilla, por lo que se preparó seis estándares y posteriormente a partir de la ecuación de la figura 1 y las absorbancias obtenidas de las muestras (tabla 5), se obtuvo porcentaje de carbono en las muestras. La curva de calibración se realiza absorbancia versus concentración, en este caso las unidades de concentración se tomaron en %m/m, por tanto, al realizar los cálculos para cuantificar el carbono en la muestra, se obtiene directamente el

porcentaje de carbono en las muestras. El coeficiente de correlación lineal para la calibración sencilla fue de 0,9992, esto significa que la relación entre la concentración y la absorbancia cumplen con la Ley de Beer Lambert. En análisis espectrofotométrico ordinario si la absorbancia es proporcional a la concentración y tiene comportamiento lineal entonces se cumple la ley de Beer Lambert. (Walton & Reyes, 2013). En la práctica se obtuvo 30,5 % de carbono en la muestra de metilcelulosa con un porcentaje de error de 42,34 % mientras que en la muestra de lactosa se obtuvo 18,6 %de carbono con un porcentaje de error de 55,82 %. Se obtuvo un porcentaje de error bastante alto, esto se debe a que probablemente no se oxido por completo el carbono en la reacción y por tanto la cuantificación fue errónea, los factores determinantes de este error se explicaran más adelante. Las mayores variaciones observadas en el porcentaje de recuperación del carbono orgánico, cuando se aplica este método, se deben a calidad de la materia orgánica analizada. Sin embargo, hay aspectos metodológicos que también inciden en la en la dispersión de los resultados analíticos. En cuanto a lo metodológico es necesario comprender los factores críticos que están involucrados en el proceso de determinación como lo son: -

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estado de oxidación inicial del C: se asume, de forma empírica, que el C se encuentra en la materia orgánica del suelo en un estado de oxidación “0” y se oxida a +4 potencial redox: concentración de dicromato, empleada en la mezcla, debe asegurar una intensidad

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oxidativa constante, por lo que la muestra no debería consumir más del 80% del dicromato añadido Temperatura de reacción: temperaturas cercanas a 120-140°C Interferencias químicas: interferencias provocadas por algunos constituyentes del suelo siempre y cuando se encuentren en cantidades elevadas. La presencia significativa de iones cloruros o iones ferrosos sobreestimarían el CO mientras que los nitratos provocarían el efecto inverso dando valores bajos de CO Reactivos factor de conversión de C oxidable a C orgánico: el porcentaje de C recuperado promediaba el 77 %, proponiendo el uso de un factor de 1.3 para expresar los resultados en porcentaje de carbono orgánico (Carreira, 2004).

Según lo anterior con el método de Walkley Black no se oxida la totalidad del carbono orgánico pues depende de muchos factores metodológicos y de la misma muestra, durante el procedimiento se trata de minimizar errores metodológicos. Este es un método generalmente aplicado a la determinación de materia orgánica en suelos, al ser la muestra más compleja se debe tener en cuenta todos los factores anteriores mencionados. Las muestras utilizadas en esta práctica fueron lactosa y metilcelulosa, derivados de glucosa, ampliamente usados como excipientes; las muestras se presentan en condiciones diferentes a una muestra de suelo, por lo que el porcentaje de recuperación del carbono dependerá de aspectos metodológicos como temperatura de reacción y de reactivos adecuados.

CONCLUSIONES -

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La curva de calibración sencilla cumple con la ley de Beer-Lambert al presentar un alto coeficiente de correlación Con el método de Walkley Black no se oxida la totalidad del carbono orgánico El método depende de la calidad de la materia orgánica y factores metodológicos No se oxido por completo el carbono contenido en la muestra No se obtuvo la cantidad exacta de carbono contenido en la muestra

REFERENCIAS Villafuerte, L. (2011). Los excipientes y su funcionalidad en productos farmacéuticos sólidos. Reviste Mexicana De Ciencias Farmaceuticas, 42(1). Retrieved from https://pdfs.semanticscholar.org/d5d7/e4d d06837095077cb647992dc53d79a7e073. pdf Walton, H., & Reyes, J. (2013). Análisis químico e instrumental moderno. Barcelona [etc.]: Reverté.

CARREIRA, D. A. (2011). Cuantificació de la Materia Orgánica del suelo. Método de WALKLEY & BLACK. Obtenido de Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria: https://inta.gob.ar/documentos/cuantificacion-de-la-materia-organica-del-suelo.-metodo-dewalkley-black Saínz Rozas, H., Eyherabide, M., Barbieri, P., & Echeverría, H. (2014). Comparación de métodos para determinar carbono orgánico en suelo. Ciencia del suelo, 32(1), 13-19. Recuperado en 16 de abril de 2019, de http://www.scielo.org.ar/scielo.php? script=sci_arttext&pid=S1850-20672014000100002&lng=es&tlng=es

ANEXOS Tabla 1. Resultados de contenido de carbono y porcentaje de carbono.