3.4.1: Medio Ambiente- Síntesis de Combustible Biodiesel

Los aceites biológicos son diferentes de los aceites de petróleo (combustible diesel “regular”) en su estructura molecular y sus propiedades.

Algunas ciudades están convirtiendo sus líneas de autobuses a biodiesel

El combustible diesel común de petróleo es una mezcla de hidrocarburos simples, con la fórmula química promedio C ₁₂ H ₂₃ (se muestra a continuación), pero los componentes pueden variar aproximadamente de C ₁₀ H ₂₀ (dodecano) a C ₁₅ H ₂₈ (pentadecano). ^[1] Por el contrario, los aceites biológicos son “triglicéridos” (clasificados como “ésteres”) como el trilinoleato de glicerilo que se muestra a continuación:

C 12 H 23, dodecano

Triglicérido A: trilinoleato de glicerilo

Debido a su gran tamaño y las consiguientes grandes atracciones intermoleculares, la viscosidad de los aceites biológicos es generalmente demasiado alta para su uso en motores diesel convencionales. Los aceites biológicos también se queman un poco menos fácilmente, y con una llama más hollín que el diesel de petróleo. Los aceites biológicos pueden ser utilizados en motores diesel convencionales si son precalentados para reducir su viscosidad, pero esto requiere un calentador eléctrico auxiliar hasta que el motor se caliente. Para estos resones, los aceites bilógicos requieren procesamiento para su uso como biodiesel.

Un aceite biológico es un éster, que es un tipo de compuesto orgánico que tiene el enlace atómico que se muestra a continuación.

El enlace éster. R y R' representan cadenas de átomos de carbono e hidrógeno. R = -CH 3 y R' = -C 18 H 35 O 2 para el estearato de metilo en el Ejemplo 1

glicerol

El enlace éster en aceites biológicos se crea cuando una molécula de glicerol reacciona con ácidos orgánicos. La molécula de glicerol tiene una cadena de 3 átomos de carbono, cada uno con un grupo -OH (alcohol) en ella. La siguiente figura muestra cómo reacciona un alcohol orgánico con un ácido orgánico. Los químicos orgánicos abrevian las estructuras moleculares: las líneas “zig-zag” en la figura representan cadenas de carbono con un átomo de C en cada “zig” o “zag”. Cada carbono tiene 4 enlaces, y si se muestran menos de 4, se supone que van a átomos de H. Entonces el alcohol es C ₂ H ₅ OH (etanol), y el ácido es ácido acético (o ácido etanoico, CH ₃ COOH) en la Figura:

 

La ecuación para la formación de ésteres se muestra en términos de estructuras moleculares. El ácido acético más etanol da acetato de etilo y agua.

Ácido Orgánico + Alcohol → (con catalizador de ácido sulfúrico) un éster y agua

Dado que el glicerol tiene 3 grupos -OH, 3 “ácidos grasos” orgánicos de cadena larga se unen para hacer el voluminoso “triglicérido”.

Estearina o triestearato de glicerilo

Pero tan fácilmente como los ésteres se pueden hacer a partir de alcoholes y ácidos, pueden cambiar alcoholes o ácidos. En presencia de un catalizador de base fuerte, como NaOH, un triglicérido puede reaccionar con 3 pequeñas moléculas de alcohol, como el metanol (CH ₃ OH), que reemplazan la “cadena principal” de glicerol, haciendo 3 ésteres separados de menor peso molecular

Muy a menudo se forma una mezcla de dos o más productos. Por ejemplo, cuando un aceite vegetal reacciona con metanol, solo uno o dos de los ácidos pueden ser desplazados de la glicerina, produciendo solo 1 o 2 FAMEs.

C ₃ H ₅ (C ₁₈ H ₃₅ O ₂) ₃ + NaOH + 2 CH ₃ OH → C ₃ H ₅ (C ₁₈ H ₃₅ O ₂) ₂ (OH) + 2 C ₁₇ H ₃₅ COOCH ₃

C ₃ H ₅ (C ₁₈ H ₃₅ O ₂) ₃ + NaOH + 1 CH ₃ OH → C ₃ H ₅ (C ₁₈ H ₃₅ O ₂) (OH) ₂ + 1 C ₁₇ H ₃₅ COOCH ₃

C ₃ H ₅ (C ₁₈ H ₃₅ O ₂) ₃ + NaOH + 3 CH ₃ OH → C ₃ H ₅ (OH) ₃ + 3 C ₁₇ H ₃₅ COOCH ₃

Por lo general, se agrega un gran exceso de metanol e hidróxido de sodio, de manera que la reacción produce la máxima cantidad de FAME.

Pero en el caso de una transesterificación, a pesar de que ninguno de los reactivos se consume por completo, no se produce ningún aumento adicional en las cantidades de los productos. Decimos que tal reacción no llega a su conclusión. Cuando se produce una mezcla de productos o una reacción no llega a su finalización, la efectividad de la reacción generalmente se evalúa en términos de rendimiento porcentual del producto deseado. Se calcula un rendimiento teórico asumiendo que todo el reactivo limitante se convierte en producto. La masa de producto determinada experimentalmente se compara luego con el rendimiento teórico y se expresa como porcentaje:

\(\text{Percent yield}=\frac{\text{actual yield}}{\text{theoretical yield}}\times \text{100 percent}\)

Ejemplo 1 Cuando se mezclan 100,0 g de gas C _{3H 5} (C ₁₈ H ₃₅ O ₂) ₃ y 15,0 g de CH ₃ OH a 55°C con catalizador de NaOH, reaccionan para formar 90,96 g de estearato de metilo C ₁₇ H ₃₅ COOCH ₃ biodiesel. Calcular el porcentaje de rendimiento.

Solución

Debemos calcular el rendimiento teórico de NH ₃, y para ello, primero debemos descubrir si N ₂ o H ₂ es el reactivo limitante. Para la ecuación balanceada

C ₃ H ₅ (C ₁₈ H ₃₅ O ₂) ₃ + NaOH + 3 CH ₃ OH → C ₃ H ₅ (OH) ₃ + 3 C ₁₇ H ₃₅ COOCH ₃

estearina + hidróxido de sodio + 3 CH ₃ OH → glicerol + 3 estearato de metilo

La relación estequiométrica de los reactivos es

\(\text{S}\left( \frac{\text{stearin}}{\text{CH}_{\text{3}}\text{OH}} \right)=\frac{\text{1 mol stearin}}{\text{3 mol CH}_{\text{3}}\text{OH}}\)Ahora, las cantidades iniciales de los dos reactivos son y\ (\ begin {align} & n_ {\ text {estearina}}\ texto {(inicial)} =\ texto {100}\ texto {.0 g estearina}\ veces\ frac {\ texto {1 mol estearina}} {\ texto {.1122}\ texto {.5 estearina}} =\ texto {0 mol}\ texto {.1122 estearina}\\ &\\ & n_ {\ texto {CH} _ _ {\ texto {3}}\ texto { OH}}\ texto {(inicial)} =\ texto {15}\ texto {.0 g CH} _ _ {\ texto {3}}\ texto {OH}\ veces\ frac {\ texto {\ texto {\ texto {3}}\ texto {OH}} {\ texto {32}\ texto {.04 g CH} _ _ {\ texto {3}}\ texto {OH}} = texto {0}\ text {.4682 mol CH} _ {\ text {3}}\ text {OH}\ \ end {align}\) La relación de cantidades iniciales es así\(\frac{n_{\text{stearin}}\text{(initial)}}{n_{\text{CH}_{\text{3}}\text{OH}}\text{(initial}}~=~ \frac{\text{0}\text{.1122 mol stearin}}{\text{0}\text{.4682 mol CH}_{\text{3}}\text{OH}}~=~\frac{\text{0}\text{.240 mol stearin}}{\text{1 mol CH}_{\text{3}}\text{OH}}\) Dado que esta relación es menor que \(\text{S}\left( \frac{\text{stearin}}{\text{CH}_{\text{3}}\text{OH}} \right)~=~0.33\), hay un exceso de CH ₃ OH. La estearina es el reactivo limitante. En consecuencia, debemos usar 0.1122 mol de estearina y 0.3366 mol CH ₃ OH (en lugar de 0.4682 mol CH ₃ OH) para calcular el rendimiento teórico de C ₁₇ H ₃₅ COOCH ₃ (estearato de metilo). \(n_{\text{methyl stearate}}\text{(theoretical)}=\text{0}\text{.1122 mol stearin}\times \frac{\text{3 mol methyl stearate}}{\text{1 mol stearin}}=\text{0}\text{.3365 mol methyl stearate}\)Entonces tenemos para que\(\text{m}_{\text{methyl stearate}}\text{(theoretical)}=\text{0}\text{.3365 mol methyl stearate}\times \frac{\text{298}\text{.51 g methyl stearate}}{\text{1 mol methyl stearate}}=\text{100}\text{.5 g methyl stearate}\) podamos organizar estos cálculos en una tabla:

	C 3 H 5 (C 18 H 35 O 2) 3 (s)	+ 3 CH 3 OH (l)	→ 1 C 3 H 5 (OH) 3 (l)	+ 3 C 18 H 35 O 2) 3 CH 3 (s)
m, g	100.0 g	15.00 g		90.96 g
M, g/mol	891.5	32.04	298.5	92.1
n presente, mol	0.1122 mol	0.4682 mol
n real, mol	0.1122	0.3366	0.1122	0.3366
m real, masa	100.0	10.78	10.33	100.47

El porcentaje de rendimiento es entonces\(\text{Percent yield}=\frac{\text{actual yield}}{\text{theoretical yield}}\times \text{100 percent }=\frac{\text{90}\text{.96 g}}{\text{100}\text{.5 g}}\times \text{100 percent}=\text{90}\text{.55 percent}\)

La transesterificación es un ejemplo clásico de una reacción que no llega a su finalización.

Referencias

1. es.wikipedia.org/wiki/Diesel_Fuel