Año del Centenario de Machu Picchu para el Mundo

FACULTAD DE INGENIERIA NAVAL Y CIENCIAS DEL MAR

INTEGRANTES:

Chanduvi Castillo, Christian Gonzales Jaime, José Meza Pagano, Santiago Germán

PROFESORA:

Ing. Bilma Yupanqui Porras

CURSO:

Laboratorio de Química General

CICLO:

II

AULA:

I0409

COMBUSTION Y ENSAYOS A LA LLAMA

I. OBJETIVOS:- Identificar los tipos de combustión- Identificar los espectros en la región visible de algunos elementos.

II. PRICINPIOS TEÓRICOS:

- Combustión y Tipos:

La combustión es una reacción química en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de calor y luz.

En toda combustión existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustión (comburente), generalmente oxígeno en forma de O2

gaseoso. Los explosivos tienen oxígeno ligado químicamente por lo que no necesitan el oxígeno del aire para realizar la combustión.

Los tipos más frecuentes de combustible son los materiales orgánicos que contienen carbono e hidrógeno. En una reacción completa todos los elementos tienen el mayor estado de oxidación. Los productos que se forman son el dióxido de carbono (CO2) y el agua, el dióxido de azufre (SO2) (si el combustible contiene azufre) y pueden aparecer óxidos de nitrógeno (NOx), dependiendo de la temperatura de reacción.

En la combustión incompleta los productos que se queman pueden no reaccionar con el mayor estado de oxidación, debido a que el comburente y el combustible no están en la proporción adecuada, dando como resultado compuestos como el monóxido de carbono (CO). Además, pueden generarse cenizas.

El proceso de destruir materiales por combustión se conoce como incineración.

Para iniciar la combustión de cualquier combustible, es necesario alcanzar una temperatura mínima, llamada temperatura de ignición, que se define como, en °C y a 1 atm, temperatura a la que los vapores de un combustible arden espontáneamente.

La temperatura de inflamación, en °C y a 1 atm es aquella que, una vez encendidos los vapores del combustible, éstos continúan por si mismos el proceso de combustión.

Reacción de Combustión: C(n)H(2n+2) + (3n+1)/2O2 → (n)CO2 + (n+1)H2O

Combustión completa

Como se menciono anteriormente, en la combustión completase queman las sustancias combustibles del combustible hasta el máximo grado posible de oxidación. En este tipo de reacción no se encontraran sustancias combustibles en los humos o gases de combustión.Las reacciones químicas que se utilizan en el estudio de las combustiones técnicas tanto si se emplea aire u oxigeno, son muy sencillas y las principales son:

C + O2 -----------------CO2

CO + ½ O2 ------------CO2

H2 + ½ O2 -------------H2OS + O2 -----------------SO2

SH2 + 3/2 O2 ---------SO2 + H2O

Estas reacciones corresponden a reacciones completas de sustancias que pueden pertenecer a un combustible gaseoso, líquido o sólido y se expresan para 1 mol o 1 Kmol de sustancia combustible.

También es muy común realizar otros cálculos estequiométricos definiendo distintas relaciones a saber:

Composición de humos secos Composición de humos húmedos Kg de aire / Kg de combustible Kmol de aire / Kmol de combustible Kg de humos secos / Kg de combustible Kg de humos húmedos / Kg de combustible

Todas estas relaciones se utilizan para efectuar un balance másico completo de una reacción de combustión.

Combustión incompleta

Este tipo de reacción se caracteriza por la presencia de sustancias combustibles o también llamados inquemados en los humos o gases de combustión. Estas sustancias generalmente son carbono como hollín, CO, H2 y también pueden aparecer pequeñas cantidades de los hidrocarburos que se utilizan como combustibles.

En el caso de la reacción de combustión en la que se produce únicamente CO en los gases de combustión, se conoce con el nombre de Combustión de Ostwald y la reacción que produce CO y H2 se conoce como Combustión de Kissel.

Estas denominaciones derivan del uso de los diagramas de estos autores utilizados para determinar las respectivas reacciones de combustión, siendo evidente que la reacción de Ostwald es un caso particular de la reacción de Kissel.

En la práctica se debe tener especial cuidado en los ambientes en que se puedan desarrollar este tipo de reacciones. Un caso práctico y muy conocido es la combustión incompleta de un motor de un automóvil, un brasero, un calefón o un calefactor domiciliario sin tiro balanceado. Dada la generación de CO o monóxido de carbono en este tipo de reacciones, que se presenta como un gas imperceptible al olfato, se debe tener especial cuidado en la ventilación de los ambientes donde ocurran, ya que el CO es un elemento nocivo para el cuerpo humano y puede producir la muerte, debido al bloqueo del transporte de oxígeno, generado por la molécula de hemoglobina, una proteína compleja presente en la sangre, donde el CO ejerce un efecto competitivo con el O2, produciendo la carboxihemoglobina e impidiendo la transferencia y el transporte de oxígeno en el cuerpo, produciéndose la muerte debido a una anoxia cerebral.

Ejemplo de reacciones de combustión

Como ejemplo podemos considerar dos tipos de reacciones, la reacción teórica y la reacción real que se produce en un reactor de combustión.

Reacción teórica

La reacción teórica para una combustión completa, convirtiéndose todo el C a CO2 y el H2 a H2O, utilizando aire como comburente es del tipo:C8 H18 + aire ----------------- CO2 + H2OC8 H18 + a (O2 + 3,76 N2) ---------------- b CO2 + c H2O + d N2

siendo la ecuación química estequiométrica balanceadaC 8 H 18 + 12,5 (O2 + 3,76 N2) --------------- 8 CO2 + 9 H2O + 47 N2

Reacción real genéricaa [ Cu Hv Ow Nx Sy ] + b [O2] + 3,76 b [N2] + c [humedad] + d [impurezas] →e [CO2] + f [H2O] + g [O2] + h [H2] + i [CO] + j [SO2] + k [NO] + l [NO2] + m [cenizas] + a [PCI]donde[Cu Hv Ow Nx Sy ] es un mol de materia combustible (compuesto o mezcla) donde suele tomarse a=1 (por mol de combustible) o bien e + f + g + h + i + j + k + l = 1 (por mol de producto gaseoso)

Esta reacción representa una reacción real que se produce en un reactor de combustión teniendo en cuenta todas las variables que se presentaran inclusive la humedad, impurezas y cenizas.

Aplicaciones de las reacciones de combustión

Las reacciones de combustión son muy útiles para la industria de procesos ya que permiten disponer de energía para otros usos y generalmente se realizan en equipos de proceso como hornos, calderas y todo tipo de cámaras de combustión.

En estos equipos se utilizan distintas tecnologías y dispositivos para llevar a cabo las reacciones de combustión.

Un dispositivo muy común denominado quemador, produce una llama característica para cada combustible empleado. Este dispositivo debe mezclar el combustible y un agente oxidante (el comburente) en proporciones que se encuentren dentro de los límites de inflamabilidad para el encendido y así lograr una combustión constante. Además debe asegurar el funcionamiento continuo sin permitir una discontinuidad en el sistema de alimentación del combustible o el desplazamiento de la llama a una región de baja temperatura donde se apagaría.Los quemadores pueden clasificarse en dos tipos, de mezcla previa o premezcla donde el combustible y el oxidante se mezclan antes del encendido y el quemador directo, donde el combustible y el oxidante se mezclan en el punto de ignición o encendido.

También debe tenerse en cuenta para su operación otros parámetros como estabilidad de la llama, retraso de ignición y velocidad de la llama, los cuales deben mantenerse dentro de los límites de operación prefijados.

Para el quemado de combustibles líquidos, en general estos atomizados o vaporizados en el aire de combustión. En los quemadores de vaporización, el calor de la llama convierte continuamente el combustible liquido en vapor en el aire de combustión y así se auto mantiene la llama.

Para el caso de combustibles gaseosos, se utilizan distintos diseños que pueden ser circulares o lineales con orificios, que permiten la salida del gas combustible y un orificio por donde ingresa el aire mediante tiro natural o forzado.

Es importante comprender que como resultado de una combustión, mediante la operación de estos dispositivos, se pueden producir sustancias nocivas y contaminantes, las cuales deberán ser perfectamente controladas, reduciéndolas a concentraciones permitidas o eliminadas, de acuerdo a la legislación vigente sobre el tema.

MECHERO BUNSEN

Un mechero Bunsen con válvula aguja. La conexión para el suministro de gas se encuentra hacia la izquierda y la válvula aguja para ajustar el flujo de gas está en el lado opuesto. La entrada de aire en este

modelo particular se ajusta por medio de un collarín rotante, abriendo o cerrando los bafles verticales en la base.

Un mechero o quemador Bunsen es un instrumento utilizado en laboratorios científicos para calentar o esterilizar muestras o reactivos químicos.

Fue inventado por Robert Bunsen en 1857 y provee una transmisión muy rápida de calor intenso en el laboratorio. Es un quemador de gas del tipo de premezcla y la llama es el producto de la combustión de una mezcla de aire y gas.

El quemador tiene una base pesada en la que se introduce el suministro de gas. De allí parte un tubo vertical por el que el gas fluye atravesando un pequeño agujero en el fondo de tubo. Algunas perforaciones en los laterales del tubo permiten la entrada de aire en el flujo de gas (gracias al efecto Venturi) proporcionando una mezcla inflamable a la salida de los gases en la parte superior del tubo donde se produce la combustión, muy eficaz para la química avanzada.

El mechero Bunsen es una de las fuentes de calor más sencillas del laboratorio y es utilizado para obtener temperaturas no muy elevadas. Consta de una entrada de gas sin regulador, una entrada de aire y un tubo de combustión. El tubo de combustión está atornillado a una base por donde entra el gas combustible a través de un tubo de goma, con una llave de paso. Presenta dos orificios ajustables para regular la entrada de aire.

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 sólo 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, la cual se llama "llama segura" o "llama luminosa". Esta llama es luminosa debido a pequeñas partículas de hollín incandescentes. La llama amarilla es considerada "sucia" porque deja una capa de carbón sobre la superficie que está calentando. Cuando el quemador se ajusta para producir llamas de alta temperatura, éstas (de color azulado) pueden llegar a ser invisibles contra un fondo uniforme.

Distintos tipos de llama en un quemador Bunsen dependiendo del flujo de aire ambiental entrante en la válvula de admisión (no confundir con la válvula del combustible).

1. Válvula del aire cerrada (llama segura).2. Válvula medio abierta.3. Válvula abierta al 90%.4. Válvula abierta por completo (Llama azul crepitante).

Si se incrementa el flujo de gas a través del tubo mediante la apertura de la válvula aguja crecerá el tamaño de la llama. Sin embargo, a menos que se ajuste también la entrada de aire, la temperatura de la llama descenderá porque la cantidad incrementada de gas se mezcla con la misma cantidad de aire, dejando a la llama con poco oxígeno.

La llama azul en un mechero Bunsen es más caliente que la llama amarilla.

La forma más común de encender el mechero es mediante la utilización de un fósforo o un encendedor a chispa.

Mecheros de gasesFuncionan por combustión de una mezcla de gases. Tienen un orificio en la base por el cual entra el aire para formar la mezcla con el gas combustible. Los gases comúnmente usados son el gas natural, que es en su mayor proporción gas metano (de más de un 90%), y en menor medida el etano.

Los mecheros de laboratorio más comunes son el Bunsen, el Tirril, y el Meckert.Son semejantes en su fundamento, pero difieren en su aspecto, ajuste y control.

Temperatura en las diferentes zonas de las llamas

La temperatura dependerá de:- Composición y porcentaje de comburente- Velocidad global de la combustión, esto depende de:

a) Reactividad del combustibleb) Forma y eficacia del sistema de combustiónc) Temperatura inicial de los reactivos

Se deben tener en cuenta los calores sensibles de los reactivos. Al llegar y sobrepasar los 2000°C los gases de combustión se ´pueden descomponer, dando lugar por ello a otros compuestos que pueden afectar la combustión y la llama.

Existen otros mecheros de uso en el laboratorio, por ejemplo, el Tirrill, donde tanto el aporte de gas como el del aire pueden ajustarse con el fin de obtener una combustión óptima y una temperatura de la llama de más de 900°C.

El mechero Meker, Su forma y tamaño recuerdan las del mechero Bunsen pero el quemador es de mayor diámetro para conseguir una llama de base más amplia.1 La llama de gas producida es más abierta y uniforme que en otro tipo de mecheros de laboratorio, aunque sus usos son similares: para calefacción, esterilización, y combustión. Se utiliza cuando el trabajo de laboratorio requiere una llama más caliente de lo que sería posible utilizando un mechero Bunsen.

La producción de calor del mechero Meker-Fisher puede ser de más de 13.000 kJ (12.000 BTU) por hora utilizando gas licuado del petróleo (GLP),2 aunque también son posibles otros combustibles

como propano/butano o gas natural.3 4 La llama puede alcanzar temperaturas de hasta 1100-1200 ºC. Una tapa de rejilla de 30 mm de diámetro, con 100 orificios y fabricada en acero inoxidable, asegura un calentamiento uniforme. Poseen un para llamas para evitar la retrogresión de la llama.5

El mechero Meker-Fisher se fabrica con un cuerpo de latón cromado y la base hecha a base de zinc-aluminio. Una válvula de aire y una válvula de flujo de gas (visible por debajo del conducto central, en la fotografía adjunta) permiten el control de la altura de la llama y de su intensidad.

Otros modelos de mecheros de gas que se emplean en laboratorio son el  mechero de Tirril, o el de Amal.

T°C 500 700 1100 1500COLOR ROJO OSCURO ROJO ANARANJADO BLANCO

ENSAYO A LA LLAMA

El ensayo a la llama llevado a cabo en un halogenuro de cobre. Obsérvese el color característico azul-verdoso de la llama debido al cobre.

Un ensayo a la llama es un procedimiento usado en química analítica para detectar la presencia de ciertos iones metálicos, con base en el espectro de emisión característico de cada elemento. El color de la flama en general también depende de la temperatura.

El ensayo involucra introducir una muestra del elemento o compuesto en una llama caliente no luminosa, y observar el color que resulta. Las muestras suelen sostenerse en un alambre de platino limpiado repetidamente con ácido clorhídrico para eliminar trazas de analitos anteriores.

1 Debe probarse con diferentes llamas, para evitar información equivocada debido a llamas "contaminadas", u ocasionalmente para verificar la exactitud del color. Algunas veces también se usan alambres de nicrom.1

El sodio es un componente común o contaminante en muchos compuestos, y su espectro tiende a dominar sobre los otros. El ensayo a la llama es frecuentemente visto a través de un vidrio azul de cobalto para filtrar el amarillo del sodio y permitir ver mejor la emisión de otros iones metálicos.

El ensayo a la llama es rápido y fácil de ejecutar, y no requiere equipamiento alguno que no se encuentre generalmente en un laboratorio de química. Sin embargo, el rango de elementos detectados es pequeño, y el ensayo se apoya en la experiencia subjetiva del experimentador, en vez de mediciones objetivas.

La prueba tiene dificultad en detectar concentraciones pequeñas de algunos elementos, mientras que puede producirse un resultado muy fuerte para algunos otros, lo que tiende a "ahogar" las señales más débiles.

Aunque esta prueba sólo da información cualitativa, y no cuantitativa, acerca de la proporción real de los elementos en la muestra; puede obtenerse información cuantitativa por las técnicas relacionadas de fotometría de llama o espectroscopia de emisión de llama.

Origen De Los Colores en la Llama del Mechero

Los átomos y los iones están constituidos en su interior, por una parte central muy densa, cargada positivamente, denominada núcleo y por partículas negativas llamadas electrones, los cuales rodean al núcleo a distancias relativamente grandes. De acuerdo a la teoría cuántica, estos electrones ocupan un cierto número de niveles de energía discreta.1

Resulta evidente, por lo tanto, creer que la transición de un electrón de un nivel a otro debe venir acompañada por la emisión o absorción de una cantidad de energía discreta, cuya magnitud dependerá de la energía de cada uno de los niveles entre los cuales ocurre la transición y, consecuentemente, de la carga nuclear y del número de electrones involucrados. Si en un átomo poli electrónico, un electrón salta de un nivel de energía E1 a un nivel de energía E2, la energía de la transición electrónica, E, es igual a E2 – E1. Si E2 representa un nivel de energía inferior a E1, entonces, la transición viene acompañada por la emisión de una cantidad E de energía (en forma de luz), la cual está relacionada con la longitud de onda de luz emitida por la ecuación:

E = (hc)/

Donde :

h = Constante de Planck

c = Velocidad de la Luz

= Longitud de Onda de la Luz Emitida

E = h

En otras palabras, la energía de una transición electrónica es inversamente proporcional a la longitud de onda de la luz emitida o absorbida y directamente proporcional a la frecuencia de radiación.

Un espectro atómico está compuesto por una o más longitudes de onda. Debido a que los elementos tienen diferente carga nuclear, diferente tamaño y diferente número de electrones, es razonable

1

concluir que cada elemento está caracterizado por un espectro atómico, el cual es diferente al de cualquier otro elemento.

El espectro a la llama de los compuestos de los metales alcalinos es un espectro atómico de emisión y se representan como líneas espectrales discretas.

A continuación se presenta una tabla con algunos de los elementos que imparten colores

característicos a la llama.

Metales comunes

Algunos metales comunes y sus colores correspondientes son:

Símbolo Nombre Color Símbolo Nombre Color

As Arsénico Azul Cu(II) Cobre(II)(no-halogenuro)

[Verde

B Boro Verde brillante

Cu(II) Cobre(II)(halogenuro)

Azul-verdoso

Ba BarioVerde pálido/manzana

Fe Hierro Dorado

Ca Calcio Rojo ladrillo

In Indio Azul

Cs Cesio Azul – Violeta

K Potasio Lila

Cu(I) Cobre(I) Azul Li Litio Carmín

Símbolo Nombre Color Símbolo Nombre Color

Mn(II) Manganeso(II)Verde amarillento

Sb Antimonio Verde claro

Mo MolibdenoVerde amarillento

Se Selenio Azul

Na Sodio Amarillo intenso

Sr Estroncio Escarlata

P FósforoVerde pálido azulado

Te Telurio Verde claro

Pb Plomo Azul Tl Talio Verde puro

Rb Rubidio Rojo-violeta

Zn Zinc Verde azulado

ESPECTRO DE EMISIÓN

El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento, en estado gaseoso, cuando se le comunica energía. El espectro de emisión de cada elemento es único y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuesto desconocido.

Explicación

Si colocamos un tubo con Hidrógeno calentado a alta temperatura, esto produce que emita radiaciones, y cuando éstas se hacen pasar a través de un prisma de cuarzo se refractan, y se desvían. Cuando salen del prisma, las radiaciones se encuentran separadas en la placa detectora.

Las características del espectro de emisión de algunos elementos son claramente visibles a ojo descubierto cuando estos elementos son calentados. Por ejemplo, cuando un alambre de platino es bañado en una solución de nitrato de estroncio y después es introducido en una llama, los átomos de estroncio emiten color rojo. De manera similar, cuando el Cobre es introducido en una llama, ésta se convierte en luz verde. Estas caracterizaciones determinadas permiten identificar los elementos mediante su espectro de emisión atómica.

El hecho de que sólo algunos colores aparezcan en las emisiones atómicas de los elementos significa que sólo determinadas frecuencias de luz son emitidas. Cada una de estas frecuencias están relacionadas con la energía con la fórmula:

Efotón = hν

Donde E es la energía, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia. La frecuencia ν es igual a:

ν = c/λ

Donde c es la velocidad de la luz en el vacío y λ es la longitud de onda.

Con esto se concluye que sólo algunos fotones con ciertas energías son emitidos por el átomo. El principio del espectro de emisión atómica explica la variedad de colores en signos de neón, así como los resultados de las pruebas de las llamas químicas mencionadas anteriormente.

Las frecuencias de luz que un átomo puede emitir depende de los estados en que los electrones pueden estar. Cuando están excitados, los electrones se mueven hacia una capa de energía superior. Y cuando caen hacia su capa normal emiten la luz.

III. PARTE EXPERIMENTAL :

a) Materiales :

- Mango de col

- Alambre de nicrom

- Frasco pequeño de vidrio

- Piceta

b) Reactivos :

- Agua destilada

- Acido clorhidrico diluido

- Muestras problemas

c) Procedimientos :

1.- Combustión

- Encienda el mechero de bunsen cuidadosamente, colocando primero el cerillo encendido sobre la parte superior del cañón y luego abra gradualmente la llave de control de ingreso de gas. Es preferible que esta operación se realice con el anillo de ingreso de aire cerrado

- Con el anillo de ingreso de aire cerrado, observe el tipo de llama ¿Qué productos tienes ésta composición?

C3H8 (g) + 3O2 (g)→ 2CO(g) + C + 4H2O(g) + calor

- Luego abra completamente el anillo de ingreso de aire y anote las características de la llama ¿Qué nombre tiene este tipo de llama?

- Las temperaturas de la llama (no luminosa) se puede determinar introduciendo y recorriendo un alambre de nicrom en las diferentes zonas (desde la parte inferior hacia la parte superior)

2.- Ensayo a la llama :

- Se emplea un alambre delgado de nicrom (o Pt) de unos 5 cm. De largo fijado en el extremo de un mango de col.

- Se limpia bien el alambre sumergiéndolo en un tubo de ensayo que contiene ácido clorhídrico diluido, enjuagarlo con agua potable y luego con agua destilada

- Secar en la zona más caliente de la llama no luminosa. El alambre está limpio cuando no imparte color a la llama.

- Sumergir la punta del alambre en la muestra problema y llevarla a la zona más caliente de la llama no luminosa

-Observar la coloración que le transmite la muestra a la llama y anote.

Tabla de resultados

Combustión y estudio de la llama:

Tipo de combustión Reacción química Tipo de llama Características

+

+

Ensayo a la llama de la llama:

N° muestra Color de la llama

Elementos imposible

Longitud de onda(nm)

Frecuencia (Hz)

Energía (Joule)

1

2

3

4

5

6

7

8

K +1

OBSERVACIONES

CALCULOS

CONCLUSIONES

Cuestionario

Indique otra experiencia que pueda demostrar las zonas de la llama.

La llama del mechero es producida por la reacción química de dos gases: un gas combustible y un gas comburente. El gas que penetra en un mechero pasa a través de una boquilla cercana a la base del tubo de mezcla gas-aire. El gas se mezcla con el aire y el conjunto arde en la parte superior del mechero, efectuándose de ésta forma la Combustión

Cite por lo menos 3 razones de por qué es preferible usar la llama luminosa al realizar los calentamientos en el laboratorio.

Posee más calor, la combustión es completa y no se genera carbono.

Explique por qué un soplete alcanza temperaturas más altas que un mechero.

Alcanza temperaturas más altas por la combustión donde interviene 3 elementos (combustible, comburante y chispa de calor) por eso cuanto más oxigeno tenga la mezcla, la reacción que llamamos fuego alcanzara mas temperatura.

Porque el soplete usa acetileno que tiene un calor de combustión muy alto. Además, lo oxidan con

suministro directo de .

Enumere los tipos de radiación electromagnética. Comience con la radiación que tiene la longitud de onda más larga y termine con la de longitud de onda más corta.

Rayos gamma

Rayos X

Ultravioleta

Visible

Infrarrojo

Microonda

Radio

Una muestra de metal es sometida a calentamiento en la llama de un mechero de Bunsen lo cual provoca una pérdida de energía de 2,84x Joule al descender un electrón de un nivel a otro. Calcular la coloración aproximada del fotón de la muestra, que caracteriza