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Informe de Laboratorio de Química Nº1 Integrantes: 1. Mejia Flores,Juan Jose. 20122622K 2. Suyco Montalvo,Manuel Isaac 20140028J Especialidad/Facultad: Ingeniería Mecanica/ FIM Curso: Química General/MB312 Profesor: Ruth Maldonado TEMA Estudio de la Llama y Operaciones Fundamentales

2014 - I

Objetivos

El presente experimento tiene por objeto: -

Distinción entre las clases de llama (luminosa y no luminosa).

-

Identificar las propiedades que las caracterizan.

-

Conocer los diferentes efectos que causa cada llama sobre un mismo material.

-

Reconocer las distintas zonas de la llama.

-

Aprender la adecuada manipulación del mechero para su máximo aprovechamiento térmico.

Fundamentos Teóricos La combustión de gases o vapores a altas temperaturas da lugar a un aspecto de esa combustión a la que se le denomina llama. Las reacciones de combustión, en general, desprenden una gran cantidad de energía a lo que les llamamos reacciones exotérmicas, es en este tipo de reacciones donde se produce la llama que es provocada por dicha emisión de energía de los átomos de algunas partículas que se encuentran en los gases de combustión al ser excitados por el intenso calor generado en este tipo de reacciones. En el presente experimento hemos dado un uso práctico al mechero Bunsen el cual debe su nombre al químico alemán Roberto Bunsen que adaptó el concepto de William Faraday del quemador de gas en 1855 y popularizó su uso. Es el más usado debido a que proporciona una llama caliente, constante y sin humo. El quemador es un tubo de metal corto y vertical que se conecta a una fuente de gas y se perfora en la parte inferior para que entre aire. La corriente de aire se controla mediante un anillo situado en la parte superior del tubo , ya que es uno de los elementos más

útiles que se tienen en el laboratorio químico. En este tipo de aparatos se pueden quemar diferentes tipos de gases entre los más comunes tenemos al metano, propano, butano, gas de hulla, gas natural, acetileno, etc. Si el abastecimiento de gas es constante, la temperatura de la llama depende de la cantidad de aire premezclado con el gas comburente antes de la combustión. Cuando la entrada de aire al mechero es insuficiente (la válvula está cerrada o casi cerrada), podemos observar una llama de color amarillenta, de bajo poder calorífico y altamente luminosa, lo cual indica que el proceso de combustión es incompleto. Este fenómeno implica que no todo el metano que se introduce en el mechero se

convierte en dióxido de carbono y agua, sino que parte de él se transforma en carbono elemental. La luminosidad que caracteriza a este tipo de llama se produce por la incandescencia a altas temperaturas de partículas sólidas (hollín) que produce la descomposición del gas. La llama no luminosa, por el contrario, se consigue debido al contacto entre el aire y el gas antes de efectuarse la combustión. Cuando la válvula de entrada de aire está abierta por completo, el metano gaseoso se transforma, en gran medida, en dióxido de carbono y agua: CH4(g) + 2O2(g) = CO2(g) + 2H2O(l) En este proceso se libera más calor que en el caso anterior, por lo que la temperatura de la llama aumenta y el color cambia de amarillo a azul. En este proceso hay ausencia de partículas sólidas incandescentes por la combustión completa, por lo tanto la llama no toma el color amarillo de la llama antes mencionada. Se puede obtener una combustión aún más completa del metano premezclándolo con oxígeno gaseoso puro en lugar de aire.

LLAMA LUMINOSA

LLAMA NO LUMINOSA

Materiales Utilizados

Mechero de Bunsen: El instrumento más importante, lo usamos para ver la llama luminosa y la no luminosa; además de calentar el agua en el tubo de ensayo. Cartulina o cartón: de 10x5cm aproximadamente. Lo usamos cuando lo pusimos sobre la llama unos cuantos segundos. Palitos de fósforo: Lo usamos para prender el mechero. Alfiler Pedazo de Porcelana: Lo calentamos para ver los efectos que produce sobre él, la llama luminosa, y la no luminosa. Pinza para Crisol: Para sostener el pedazo de porcelana mientras se calienta. Rejilla metálica sin asbesto: Lo usamos para ver si la llama la atravesaba o no.

Diagramas de los Procesos Experimento Nº 1  Encender el mechero con Llama Luminosa.

 Con la ayuda de una Pinza de Crisol sostener un pedazo de porcelana.  Calentar el crisol paseándola por la llama.

suavemente

 Dejar que la porcelana caliente lo más posible

Resultados Calculado el tiempo, hemos llegado a los siguientes resultados. 2min: se ha formado una capa de color negro en la superficie de la porcelana, el color se acentúa más a medida que mantenemos la porcelana en esa posición.

7min + 16seg: se pueden observar algunos puntos de color rojo sobre la porcelana.

Experimento Nº 2

 Encender el mechero con Llama no

Luminosa.  Con la ayuda de una Pinza de Crisol sostener un pedazo de porcelana.  Calentar la porcelana manteniéndola a mitad de la llama.  Tomar el tiempo y determinar si se calienta más rápido que con el experimento anterior.

Resultados El color negro formado anteriormente va a desapareciendo en presencia de la llama no luminosa. Hemos observado que en aproximadamente 15 segundos el color empieza a desaparecer y la porcelana retorna a su color original. No es mucha la diferencia de cronometraje para que el color rojo empiece a notarse, muy suave al inicio y luego con más intensidad.

Conclusiones Al pasear la porcelana, en la llama luminosa notamos que ésta empieza a cambiar de su color natural a negro. De esto podemos concluir que la capa negra formada sobre la porcelana es la presencia del carbón producido (hollín) que se produce debido a la combustión incompleta. Al sostener la porcelana, en la llama no luminosa, hemos observado que el tiempo para que ésta tome un tono rojizo es mucho menor que con la llama luminosa. La combustión completa (llama no luminosa), genera más energía que la incompleta, por lo que calienta más rápido cualquier objeto, lo que se observa a simple vista en la apariencia del objeto en cuestión.

Recomendaciones: Al momento de trabajar con la porcelana es necesario dar repetidas vueltas a ésta para que el cambio sea uniforme y no hayan distintos resultados. Es necesario evitar coger las pinzas por los filos porque se pueden sufrir quemaduras. No coger la porcelana de inmediato se retire de la llama porque aún conserva un calor intenso producto de su exposición al fuego por bastante tiempo. Asegurarse de cerrar bien las llaves de salida del gas una vez terminado el experimento.

Experimento Nº 3  Encender el mechero con Llama Luminosa.

 Cortar un pedazo de cartón o cartulina (de aproximadamente 10x5 cm.)  Colocar verticalmente el cartón o cartulina sobre la boquilla del mechero de tal manera que divida a la llama en dos partes iguales( el cartón o cartulina solo debe estar en esta posición unos segundos pues recuerda que no debes permitir que se queme)  Nota.- Repetir el mismo procedimiento del experimento Nº 3

pero ahora hazlo con la Llama no Luminosa.

Resultados Observamos que en la cartulina se plasma una placa fotográfica de la llama, dando como resultado una zona negra en la cartulina a los costados (exterior de la llama), sin embargo en el centro inferior, en una zona pequeña no observamos modificación de la cartulina, a partir de esta zona el color va cambiando gradualmente de un tono negro más claro a más oscuro en dirección al exterior del gráfico.

Conclusiones La zona central inferior de la cartulina no sufre cambio porque ha sido expuesta a una zona con ausencia de oxígeno, el color que cambia gradualmente a partir del centro se debe a que el oxígeno se va

presentando hasta llegar a la zona en la que hay abundancia de oxígeno y se produce la combustión de la cartulina. Con esto logramos describir las zonas que tiene la llama, y la importancia del oxígeno en la combustión. Puesto que zona fría es por falta de oxígeno, y zona oxidante es por abundancia de oxígeno. Recomendaciones: Mantener la cartulina por un tiempo bastante corto, porque la combustión puede expandirse en la cartulina y no apreciaríamos las distintas zonas de la llama.

Experimento Nº 4  Encienda con Llama no luminosa en el

mechero de Bunsen.  Descienda una rejilla metálica sin asbesto.

Resultados Mientras descendemos la rejilla sobre el mechero, notamos que la llama tiende a achatarse, pero pasado el tiempo la va atravesando poco a poco, pero no tan incandescente. Al mismo tiempo vemos que la rejilla se pone al rojo vivo.

Recomendaciones: Evitar hacer contacto con la rejilla porque el material es un buen conductor del calor puede ocasionar quemaduras. Mantener la rejilla en una posición dada, de lo contrario no podremos observar qué es lo que ocurre en esa zona.

Experimento Nº 5  Introducir un alfiler, hasta la mitad, a palito de fósforo.

3 mm. de la cabeza de un

 Manteniendo el mechero apagado colocar el alfiler horizontal y encima de la boca del mechero.  Deja salir el gas manteniendo las entradas de aire cerradas.  Encender el mechero.

Resultados Vemos que el palito de fósforo no se quema inicialmente, pero luego sí.

Conclusiones Llegamos a la conclusión de que la zona fría de la llama ocupa sólo un pequeño espacio del total que ocupa la llama, por lo que cuando la llama se mueve a consecuencia del aire, el fósforo hace contacto con la zona de reducción y se enciende. Recomendaciones No intentar meter el palito de fósforo con el alfiler mientras la llama esté encendida porque ocurrirá una combustión instantánea producto de la interacción entre en fósforo y la zona externa de la llama.

Experimento Nº 6  Sobre un mechero con Llama no Luminosa colocar un tubo de

vidrio de 10 cm de largo en forma de “L” de tal manera que forme un ángulo de 45 con la horizontal y uno de sus vértices se encuentre en el vástago.  En el otro extremo del tubito de vidrio colocar un fósforo encendido.  Graduar la entrada de aire al mechero hasta obtener Llama

Luminosa.

Resultados Se pudo notar que mientras que si en la llama luminosa del mechero había mayor cono externo, la llama del palito de fósforo se hacía más grande.

Conclusiones

Este experimento prueba que la llama tiene oxígeno sin “combustionar”, por lo que viaja a través del tubo, y se conecta con el palito de fósforo, para lograr una mejor combustión en él, puesto que hay más oxígeno Recomendaciones No exceder la cantidad de fuego en la punta del tubo porque podemos generar hollín en su interior y en la punta del mismo

Cuestionario 1.- Haga un esquema del mechero indicando sus partes.

Base.- Es una base pesada en la que se introduce el suministro de gas por medio de la manguera. Su material es de fierro fundido

Anillo Regulador.- La cantidad de gas y por lo tanto de calor de la llama puede controlarse ajustando el tamaño del agujero en la base del tubo. Si se permite el paso de más aire para su mezcla con el gas la llama arde a mayor temperatura (apareciendo con un color azul). Si los agujeros laterales están cerrados el gas solo se mezcla con el oxígeno atmosférico en el punto superior de la combustión ardiendo con menor eficacia y produciendo una llama de temperatura más fría y color rojizo o amarillento.

Tubo o Vástago.- Es el tubo por donde fluye el gas, en su base se encuentra el anillo regulador.

Boquilla.- Es de bronce fundido, pequeña, con rosca externa para fijarla al tubo. Cuando el gas sale de dicho orificio aumenta considerablemente su velocidad, creando así un vacío suficiente para absorber aire del exterior.

2.- ¿Cuándo se produce la llama azulina “no luminosa” y cuándo la llama “luminosa”?

La llama luminosa se produce cuando la válvula se encuentra cerrada o hay un ligero espacio de entrada de oxígeno. Esto sucede debido a la presencia de partículas de carbono como consecuencia de la combustión incompleta por escasez de oxígeno. La llama azulina “no luminosa” se produce cuando la válvula se encuentra abierta. Esto sucede ya que al abrir paso al aire se produce la combustión completa. 3.- Explique la presencia de las partículas de carbón en la llama luminosa. Escribir las ecuaciones balanceadas de ambos tipos de llama. La presencia de partículas de carbón es el producto de la combustión incompleta ya que ésta da como producto al carbón en estado sólido. A las partículas de carbón se le denomina hollín y es n humo que mancha. Ecuación de la llama luminosa: C3H8(g) + 3 O2(g) ---> 2 CO(g) + C(s)+ 4 H2O(g) + calor Ecuación de la llama no luminosa: C3H8(g) + 5 O2(g) ---> 3 CO2(g) + 4 H2O(g) + calor

4.- ¿Cuál de las zonas de la llama es la “zona reductora”, por qué? Respecto al gráfico, la zona reductora (ya que el C3H 8 actúa como agente reductor de la reacción) corresponde al número 2, también es llamado cono interno, debido a que está expuesto a menor cantidad de oxigeno.

5.- ¿Cuál de las zonas de la llama es la “zona oxidante”, por qué? La zona oxidante correspondería al número 3, también es llamado cono externo, el C3H 8 actúa como agente oxidante de la reacción. Hay abundante oxígeno, y alcanza los 1100 C.

6.- ¿Que se demuestra con el experimento de la rejilla de asbesto colocada horizontalmente a través de la llama o un trozo de cartón o cartulina verticalmente en medio de la llama? En ambos experimentos podemos notar la diferencia de las zonas de la llama. En el primero podemos corroborarlo ya que el centro de la rejilla expuesta al calor no se pone de rojo incandescente como lo hace la parte de alrededor. En el segundo experimento, el de la cartulina, ocurre algo similar pues el centro tampoco sufre modificación, es decir no se quema, esto demuestra la existencia de la zona fría.

7.- ¿Que demuestra con el experimento del tubo de vidrio? En este experimento de demuestra la existencia de una zona central en la que no ocurre combustión, los gases que no reaccionan pasan a través del tubito de vidrio, al momento de encontrarse con el fósforo encendido, aumenta su rendimiento, mejora su combustión.

8.- ¿Cuales son las partes más frías y más calientes de la llama, a que se debe la diferencia de temperatura? La parte más fría es la denominada zona fría, debido a la escasez de oxigeno que afecta a la combustión, en cambio, la más caliente es el cono externo o zona oxidante debido a la abundancia de oxigeno, que favorece a la combustión; la diferencia de temperatura se debe que cuando hay más oxigeno, ocurre una mejor combustión, la reacción es más exotérmica.

9.- Dé tres razones por lo que es preferible usar siempre la llama no Luminosa -

No estamos expuestos a partículas de carbono que se impregnen en nuestro material de trabajo y lo manchen.

-

Gran poder calorífico, se aprovecha más energía, es decir, hay ahorro del gas.

-

Es seguro porque no deja ningún residuo de gas sin consumir en el aire y no se produce monóxido de carbono, el cual es tóxico.

10.- Explique por qué un soplete alcanza temperatura más elevada que un mechero ordinario. Haga un esquema del mismo. El mechero común es usado con un gas que previamente ha sido mezclado con aire, el aire está compuesto en un 20% de oxígeno, lo que no favorece la combustión completa y por lo tanto no tiene un rendimiento adecuado de la energía. Se puede obtener una combustión más completa del metano “premezclándolo” con oxígeno gaseoso puro en lugar de aire. El soplete de oxiacetileno, basado en esta reacción tiene una llama cuya temperatura es mayor de 3.000 ºC. Dicho soplete se usa con frecuencia para soldar las vigas de acero que se usan en las estructuras de edificios de gran altura como los rascacielos. Esto nos da prueba una vez más que cuanto más oxigeno haya, habrá una combustión más completa, y por ende se alcanzará una temperatura más elevada.

11.- Establezca las diferencias entre una combustión lenta y una combustión viva COMBUSTIÓN LENTA

COMBUSTIÓN VIVA

Una combustión lenta es aquella que consume de manera muy pausada al combustible con llama o con ausencia de esta, pero siempre produciendo calor. A diario nos topamos con este tipo de combustión en: la brasa de un carbón, un cigarrillo, un mechero de algodón, etc.

También llamada combustión rápida, es aquella que consume al combustible de manera inmediata, produciendo calor y llama. Un ejemplo sería el caso de la pólvora, una vela o un cerillo.

Hervir agua

Generación de precipitados

Llenar 10ml de agua en una probeta

Combinar Pb(NO3)2 (ac) con KI

Hervir y observar

(ac)

lentamente Luego

Proceder a la filtración

Agregar vidrio y calentar nuevamente

Pesar en la balanza electrónica

Observar diferencias Comparar con los datos teóricos

Determinación de la densidad

Medir un volumen de 15ml en la probeta

Pesar el metal a determinar la densidad en la balanza electrónica Agregue el metal a la probeta

Medir el volumen desplazado y determinar la densidad

1. Datos

Experimentales

 Experimento 3.1 En el experimento 3.1 no se realizaron datos experimentales.  Experimento 3.2 o

Experimento 3.2.a Pesos: Peso Total: 0.93 gr Peso del papel filtro: 0.65 gr Peso del precipitado: 0.28 gr

2. Reacciones, cálculos y resultados  Experimento 3.2 o Experimento 3.2a En este experimento se pidió mezclar 10ml de KI al 0.2M con los 5ml de Pb (NO3)2 al 0.2M. La ecuación balanceada está dada por la siguiente formula

Pb(NO3)2(ac) + 2 KI (ac) ------> PbI2(s) + 2 KNO3 (ac) 1 mol

2 moles

1 mol

2 moles

De la formula balanceada sacamos la conclusión de que por cada 2 moles de KI se producirán 1 mol de PbI2. Hallando el número de moles del KI M=0.2 de aquí se deduce que el número de moles del KI es: 0.001 Por lo tanto el número de moles del PbI 2 es 0.0005 y su peso es 0.23 gr Pero en la práctica se obtuvo un peso de 0.28 gr. Esto se debe a quizás un mal manejo de la probeta al momento de hacer la medición de los volúmenes o quizá a agentes externos .

o Experimento 3.2b En este experimento solo se pidió mezclar los reactivos (5ml de Pb(NO3)2 y 5 ml de CuSO4) y las observaciones están dadas en la parte correspondiente del informe.

La reacción que se forma es

Pb(NO3)2 + CuSO4 ----> PbSO4 + Cu(NO3)2 o

Experimento 3.2c En este experimento solo se pidió mezclar los reactivos (5ml de Pb(NO3)2 y 5 ml de CuSO4) y las observaciones están dadas en la parte correspondiente del informe. La reacción que se forma es:

KAl(SO4)2.12H2O + 2Na2CO3 ----> KAl(CO3)2 + 2Na2(SO4)2  Experimento 3.3 Volumen desplazado: Peso de la muestra del metal: Densidad de la muestra:

5,4 ml 14.95 gr 2,76 gr/ml

3. Observaciones  Experimento 3.1 Cuando hierve el agua sin el vidrio, el proceso de ebullición del agua ocurre normalmente. Sin embargo, con el vidrio molido ocurren dos cosas interesantes. 1.- Cuando la llama no está enfocada cerca a los vidrios, el agua hierve pero sin tanto movimiento, 2.- Cuando la llama esta cerca del lugar donde el vidrio se ha depositado, este sale disparado del tubo de ensaño casi de manera inmediata.  Experimento 3.2 Al momento de realizar la reacción a) Al mezclar lentamente ambas soluciones, se forma una solución de color amarilla intensa. Se forma luego un precipitado de color amarillo oscuro pero que luego de un momento, al momento de sedimentar, se observa que la parte superior va quedando de un color transparente b) Al mezclar lentamente ambas soluciones, se forma una solución de color celeste claro, luego el precipitado que se forma de color blanco. Al manipular el tubo de ensayo que contenía la solución nos percatamos que, al ubicarlo en una posición casi horizontal, la solución no caía por el extremo del tubo con lo cual se pudo apreciar que la resistencia de ese líquido a fluir por el tubo de vidrio. c) Al mezclar lentamente ambas soluciones, se forma una solución de color blanca, como si fuera medio lechosa y el precipitado que se forma es de un color blanco más intenso que el que se observaba a lo largo del tubo.  Experimento 3.3 Al momento de escoger la muestra primero sacamos solo una pieza de metal, sin embargo al momento de medir el volumen desplazado este no era muy determinante, así que se opto por elegir una muestra que fuera determinante, es decir, que el peso sea relativamente mayor.  Análisis de los resultados: Experimento 2.1

Del experimento se observa que la porcelana ante la llama luminosa toma un color negro. Esto es debido a que en la ecuación de la reacción se observa que en los productos se forma el carbono, es decir hollín. Experimento 2.2 Se demuestra con el experimento del papel, que este al no quemarse en la parte que estuvo en contacto con el cono interior, que este no realiza combustión, debido a que no entra en contacto con el oxígeno. Experimento 2.3 Aquí se observa que la rejilla toma primero un color rojo, y que luego se torna blanca en los alrededores de la zona en contacto con la rejilla. Esto se debe a que en dicha zona se encuentra la parte de mayor poder calorífico de la llama, cosa que no ocurre en la parte central de la rejilla. Experimento 2.4 Al igual que en experimento 2.2, se demuestra que la parte interior de la llama no luminosa es de solo gas sin combustionar, ya que el fósforo no encendió. Experimento 2.5 Con este experimento se observa como el gas de la zona fría se difunde a través del tubo, realizándose la ignición con el fuego del fósforo a la salida del tubo. Experimento 3.1 El aumento de la temperatura de ebullición en el 2do caso (agua con vidrio dentro) se debe al aumento ebulloscópico; aunque también cabe señalar que al haber más masa que hervir, la cantidad de calor necesaria, y con esto también tomamos en cuenta la temperatura y el tiempo de ebullición, aumentan. Experimento 3.2 a Del análisis del precipitado, se observo que el compuesto de color amarillo que precipitó, le corresponde al PbI2(s) según las reacciones correspondientes. Esta reacción en particular nos hizo pensar en lo particular de la química de que al combinar dos compuestos de colores diferentes, se puede obtener un de un color que, intuitivamente, no esperaríamos Experimento 3.2 b El precipitado formado en esta experiencia es el compuesto PbSO4 el cual toma un color blanco. Experimento 3.2 c En esta experiencia es el KAl(CO3)2 el cual precipita, tomando también un color entre blanquecino y transparente. En los 2 últimos casos no se pidió que se separe el precipitado.

Experimento 3.3 De este experimento se pudo calcular la densidad de los metales, tomando la densidad del agua como patrón. Esta experiencia está basada en el Principio de Arquímedes y la historia del famoso “Eureka”  Conclusiones De lo experimentos se puede concluir: 1. Existen diferencias entre la llama luminosa y la llama no luminosa, tanto en cantidad de calor como en cantidad luminosa. 2. Del experimento del pedazo de cartón nos damos cuenta de que la llama presenta varias partes o zonas de diferente cantidad de calor. 3.

Del experimento de palito de fosforo suspendido de un alfiler se puede demostrar que la parte central de la llama es la zona fría donde no hay combustión.

4. Del experimento del tubito de 10cm. En forma de codo se concluye que no existe combustión en el interior del tubo. 5. Del experimento de las reacciones químicas se observan cambios tanto físico como químicos en el color como en su composición, y también que el precipitado 6. Del experimento del metal se puede concluir que la densidad se puede hallar de manera experimental dividiendo la masa del metal sumergido en agua entre la variación de volumen del liquido.  Bibliografía

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Manual de laboratorio de química general

-

Quimica, la ciencia central.Brown