AN┴LISIS DE GASES

I. INTRODUCCIËN

El anßlisis de los productos de la combusti¾n provee la

informaci¾n necesaria, para el estudio de los procesos de combusti¾n.

Indicando si la combusti¾n es o no completa, el tipo de sustancia que

quedan despuÚs de la combusti¾n, y la relaci¾n aire-combustible.

TambiÚn es posible la determinaci¾n de la composici¾n del

combustible a partir del anßlisis de los productos de combusti¾n.

La combusti¾n es, en esencia, una reacci¾n quÝmica del

oxÝgeno y el combustible a escala molecular.

Los dos elementos principales del combustible que intervienen en

la combusti¾n son el carbono y el hidr¾geno. Estos elementos de

combinan con el oxÝgeno del aire para formar, respectivamente,

anhÝdrido carb¾nico y vapor de agua.

El oxÝgeno necesario para la combusti¾n se suministra por lo

general como componente del aire.

Los solidos y lÝquidos se analizan, por lo general, en peso y su

composici¾n se expresa del mismo modo. Los gases, en cambio, se

analizan en volumen.

Las sustancias que se encuentran despuÚs de haberse producido

la combusti¾n se llaman productos se combusti¾n. En muchos casos,

conviene considerar todos los productos de combusti¾n excepto el

vapor de agua. Estos productos se llaman productos secos.

II. CONSIDERACIONES GENERALES

Los mÚtodos de anßlisis de gases se pueden clasificar en:

1.- MÚtodos volumÚtricos.- Un volumen medido de una mezcla de

gases a presi¾n y temperatura conocidas, se somete a la acci¾n de

reactivos quÝmicos selectivos (absorbentes) para eliminar, en forma

sucesiva, los distintos constituyentes, cuyas cantidades se determinan,

al ser eliminados, por la disminuci¾n del volumen. Cuando no hay un

absorbente apropiado para el gas que se desea determinar (por

ejemplo, metano), a veces es posible mezclarlo con un exceso de otro

gas (por ejemplo, oxÝgeno), con el que reaccione quÝmicamente (a

veces en presencia de un catalizador), y en condiciones apropiadas,

determinar el cambio de volumen que se produce.

2.- MÚtodos pro titulaci¾n.- El constituyente a determinar se lo

absorbe en una soluci¾n de un reactivo de concentraci¾n conocida.

Este mÚtodo se emplea corrientemente para gases solubles en agua,

como el di¾xido de azufre. Un ejemplo interesante es la

determinaci¾n de cantidades peque±as de mon¾xido de carbono,

haciendo pasar el gas sobre pent¾xido de yodo calentado:

el yodo liberado se titula con soluci¾n valorada, diluida, de tiosulfato

de sodio.

3.- MÚtodos gravimÚtricos.- El gas se absorbe o reacciona

mediante una cantidad pesada de reactivo, o bien, se lo absorbe en

una soluci¾n y el precipitado formado se pesa posteriormente. El

azufre se determina en un gas de alumbrado (mÚtodo de arbitraje)

quemando un volumen conocido, en una mechero especial de Bunsen;

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el aire para la combusti¾n pasa por un tubo que contiene

sesquicarbonato de amonio y el amonÝaco liberado arrastra, con Úl, al

di¾xido de azufre. Los gases se absorben en agua, la soluci¾n

resultante se trata con una peque±a cantidad de bromo puro, se

acidifica con ßcido clorhÝdrico diluido, se caliente para eliminar el

exceso de bromo y se determina el azufre, por precipitaci¾n, como

sulfato de bario, en la forma com·n.

4.- MÚtodos fÝsicos.- Se determinan los constituyentes midiendo

las propiedades fÝsicas del gas: densidad, conductividad tÚrmica,

viscosidad e Ýndice de refracci¾n.

Dividiremos el tema en dos partes: a) anßlisis de mezclas de

gases y b) determinaci¾n del volumen de un gas producido en una

reacci¾n quÝmica y su aplicaci¾n al anßlisis de muestras s¾lidas y

lÝquidas.

III.TOMA DE MUESTRAS DE GAS

Hay que tener mucho cuidado en la ubicaci¾n del tubo de toma

cuando se quiere obtener una muestra de los productos de

combusti¾n para los fines del anßlisis. La muestra debe ser

representativa. Demasiado a menudo se supone err¾neamente que los

productos de combusti¾n tienen una composici¾n uniforme a lo largo

del conducto de salida.

En los hogares, la combusti¾n se produce con una mezcla

imperfecta. En efecto, puede producirse cierto grado de

estatrificaci¾n; es decir, una parte del aire puede pasar por la zona de

combusti¾n sin turbulencia suficiente para que se mezcle

completamente con los productos de la combusti¾n del combustible y

el resto del aire suministrado. Este aire puede subsistir en forma de

capas al salir. Ademßs, puede entrar aire a los conductos despuÚs de la

zona de combusti¾n y ello contribuye tambiÚn a la estratificaci¾n.

Para obtener una muestra representativa, es necesario dividir la

secci¾n transversal del conducto en peque±as ßreas iguales. No hay

una regla fija en cuanto al n·mero y tama±o de estas ßreas, puestos

que ellos dependen de la mayor o menor uniformidad de composici¾n

del gas en el conducto. Se toma una muestra de cada ßrea y se analiza,

para determinar asÝ cußl es el ßrea que proporciona la muestra

representativa buscada.

Debido a que es posible que varÝe el grado de turbulencia del

aire al ajustar el suministro de aire en funci¾n de la carga, se concibe

que puede ser necesario variar la posici¾n del tubo de toma de

muestras al variar la carga.

IV. AN┴LISIS DE ORSAT

Cuando la combusti¾n es casi completa, los productos de

combusti¾n consiste en anhidrido carb¾nico, mon¾xido de carbono,

vapor de agua, oxÝgeno y nitr¾geno. Aunque pueden hallarse

presentes otras sustancias, sus proporciones son despreciables para los

fines de la ingenierÝa. El aparato de Orsat es un dispositivo ·til para el

anßlisis volumÚtrico de los productos de combusti¾n. Hay muchas

variantes del aparato de Orsat, tanto por la naturaleza de las pipetas

de reacci¾n como por su n·mero. El Orsat mßs com·n sirve para

determinar el mon¾xido de carbono, el anhÝdrido carb¾nico y el

oxÝgeno. La figura ilustra una forma del Orsat de tres reactivos. A la

derecha, hay una bureta de medici¾n de 100cm3 de capacidad,

revestida por una camisa de agua a fin de evitar las variaciones de

temperatura durante el anßlisis.

La pipeta de reacci¾n A contiene un compuesto quÝmico que

absorbe el anhýdrido carb¾nico. Para este fin es muy satisfactorio el

empleo de una soluci¾n fuerte de hidr¾xido de potasio. La pipeta B es

para absorver el oxÝgeno. Para este fin se han usado diversos

reactivos, pero el mßs com·n es el pirogalol (una mezcla de una

soluci¾n de ßcido pirogßlico y una soluci¾n de hidr¾xido de potasio).

La pipeta C estß destinada a la absorci¾n del mon¾xido de

carbono. Cuando el tanto por ciento de mon¾xido de carbono es

apreciable, el mÚtodo de absorci¾n no es muy satisfactorio para su

determinaci¾n. Para peque±as cantidades de mon¾xido, una soluci¾n

de cloruro cuproso es tan satisfactoria como otros productos quÝmicos

mßs costoso.

Antes de usar el Orsat, es necesario llevar el nivel de los

reactivos, en las distantes pipetas, hasta las marcas grabadas en los

cuellos. Esto se hace abriendo el grifo de cada pipeta con la botella de

reactivo en una posici¾n elevada, y bajando luego lentamente la

botella hasta que el reactivo alcance el nivel correcto.

El primer paso en el anßlisis de una muestra, consiste en purgar

el Orsat de los gases viejos. Para ello, el grifo de tres vÝas debe

ponerse en la posici¾n que comunica la pipeta de medici¾n con la

atm¾sfera. Luego se levanta la botella de nivelaci¾n para hacer que el

agua entre en la pipeta y desplace los gases viejos. El nivel del agua

debe llevarse al mßximo dentro de la bureta, pero cuidando que el

agua no pase al m·ltiple.

Se girarß ahora el grifo de tres vÝas de manera de poner la

bureta en comunicaci¾n con el tubo de toma de muestra. Se baja la

botella de nivelaci¾n, aspirando los gases hacia la bureta. Estos gases

deben ser expelidos a la atm¾sfera para tomar en seguida otra

muestra y expelarla, repitiendo el procedimiento hasta estar seguro de

que se tiene una muestra de gases limpia y no disuelta por el aire. (Por

lo general, hay cierto grado de vacÝo en la lÝnea de trasferencia y

puede penetrar aire en ella). Es esencial que se tomen exactamente

100 cm3 de gas, a la presi¾n atmosfÚrica. Esto se hace mediante un

proceso de nivelaci¾n. Cuando el nivel de agua en la bureta de

medici¾n esta en la marca cero y el nivel de agua en la botella estß a

la misma altura, entonces es correcto el volumen de gases admitidos

en la bureta. Los gases deben, ahora, ser atrapados en al bureta

cerrando el grifo de tres vÝas. Cuando hay vacÝo en la lÝnea de

trasferencia, pueden ser necesario varios ensayos para recoger la

cantidad correcta de gases. Se lleva el nivel de agua en la bureta por

debajo de la marca cero y se cierra el grifo de tres vÝas. Se lleva ahora

el nivel de agua en la botella de nivelaci¾n a la misma altura que el de

la bureta. Si el nivel de agua en la bureta queda por debajo del cero,

hay que drenar suficiente gas a al atm¾sfera o a la lÝnea de

trasferencia como para llevar el nivel de agua en la bureta al nivel

cero. Si el nivel de agua queda por encima del cero, hay que admitir

mßs gases en la bureta. SE requiere un procedimiento similar cuando el

gas estß bajo presi¾n positiva en la lÝnea de trasferencia.

Se estß ahora en condiciones de trasferir el gas a la primera

pipeta, donde debe ser absorbido el anhidrido carb¾nico. Para hacer la

trasferencia, se eleva la botella de nivelaci¾n y se abre el grifo la

primera pipeta. Debe permitirse que el agua de la botella de

nivelaci¾n se eleve hasta el topo de la bureta de medici¾n, para

arrastrar todo el gas. En este proceso, casi todo el reactivo de l a

primera pipeta pasa a su pipeta adicional, siendo absorbido el

anhidrido carb¾nico por la pelÝcula de reactivo que queda sobre las

paredes de la pipeta y de los tubos de vidrio que contiene. El gas debe

ser retirado (bajando la botella de nivelaci¾n) y vuelto a forzar en la

pipeta varias veces, a fin de que se renueve la pelÝcula de reactivo,

permitiendo asÝ la completa absorci¾n del anhÝdrido carb¾nico. El

nivel del reactivo debe ser ahora restablecido en la marca del cuello,

para cerrar en seguida el grifo y nivelar el agua en la bureta de

medici¾n. Se tomarß la lectura en la graduaci¾n de cm3 en que se

produce la nivelaci¾n. Debe repetirse todo el procedimiento una o mßs

veces, para asegurarse de que ha sido absorbido todo el anhÝdrido

carb¾nico. La graduaci¾n en cm3 en que ha sido absorbido todo el

anhidrido carb¾nico. La graduaci¾n en cm3 en que se produce la

nivelaci¾n final indica el tanto por ciento de anhidrido carb¾nico

contenido en la muestra.

El proceso descrito debe ser repetido, ahora, primero para la

pipeta de oxÝgeno y luego para la de mon¾xido de carbono, a fin de

determinar los contenidos de esta sustancias. Se supone que el resto

de la muestra es nitr¾geno.

V. DETERMINACIËN DE OTROS PRODUCTOS

GASEOSOS

La mayorÝa de los combustibles contiene una cantidad limitada

de azufre. La combusti¾n de este azufre anhÝdrido sulf·rico, el que

aparece en los gases de combusti¾n. Dado que el hidr¾xido de potasio

absorbe el anhÝdrido sulf·rico muy fßcilmente, el tanto por ciento de

anhÝdrido carb¾nico y el anhÝdrido sulf·rico. Sin embargo, en la

mayorÝa de los combustibles aceptables, la cantidad de anhÝdrido

sulf·rico producido no es mßs que el 1 ¾ 2 por ciento del anhÝdrido

carb¾nico, de modo que no se comete un gran error en la

determinaci¾n de este ·ltimo. Hay dos razones por las cuales la

formaci¾n de anhÝdrido sulf·rico es baja. En primer lugar, cuando el

contenido de azufre del combustible excede del 2 ¾ 3 por ciento (el

lÝmite depende del tipo del equipo de combusti¾n), se producen serios

problemas de mantenci¾n debido al efecto corrosivo del anhÝdrido

sulfuroso al combinarse con el agua. Por lo tanto evÝtense siempre los

combustibles de alto contenido de azufre. Por otra parte, algo de azufre

presente aparece en las cenizas en varios compuestos, reduciendo la

cantidad de anhÝdrido sulf·rico en los gases de combusti¾n.

Cuando la combusti¾n no es completa, se produce otros

productos combustibles, aparte del mon¾xido de carbono. Estos

productos combustibles son el hidr¾geno, el metano u otros

hidrocarburos. Estos productos combustibles se hallan siempre en

menor cantidad que el mon¾xido de carbono. Cuando la cantidad de

estos productos es considerable, se producen importantes pÚrdidas en

la combusti¾n.

VI. OTROS M╔TODOS DE AN┴LISIS DE LOS GASES DE

COMBUSTIËN

Para un combustible dado, existe una relaci¾n directa entre la

cantidad de anhÝdrido carb¾nico en los productos gaseosos y el aire

de exceso utilizado, suponiendo que la combusti¾n es esencialmente

completa. Un vez establecida esta relaci¾n la cantidad de aire en

exceso puede ser determinada haciendo una medici¾n de la cantidad

de anhÝdrido carb¾nico presente en los productos gaseosos. Esta

relaci¾n, establecida para un combustible dado, es aproximadamente

vßlida para otros combustibles del mismo tipo, pero no para otros de

diferentes tipos. AsÝ, cuando se desea la observaci¾n continua de la

cantidad de aire de exceso utilizada, se emplea mucho un aparato

llamado medidor de CO2.

Hay dos tipos generales de medidores de CO2, el tipo de reacci¾n

quÝmica y el tipo de conductividad tÚrmica. En el tipo de absorci¾n, se

aspira una muestra de gas en el medidor de CO2 y se absorbe el CO2.

Se observa resultante variaci¾n del volumen y se traduce

automßticamente en tanto por ciento de CO2. Es un mÚtodo de anßlisis

por "loteo". Hay instrumentos que realizan una determinaci¾n cada 2

minutos. La conductividades tÚrmicas del oxÝgeno y del nitr¾geno

son casi iguales, pero no la del anhÝdrido carb¾nico, la que es

considerablemente menor que las anteriores. Luego, si la

conductividad tÚrmica de los productos de combusti¾n se compara

con la del aire, la diferencia se debe a la presencia del CO2 en los

productos gaseosos. Esta diferencia en la conductividad tÚrmica puede

ser directamente trasladada por el instrumento en tanto por ciento de

CO2.