USO DEL MECHERO Y TRABAJO EN VIDRIO

B.D. Campo-ZigaEst. Ingeniera Industrial. Facultad de Ingenieras. Universidad del Atlntico.

Barranquilla-Colombia.byron.campo@gmail.com

ResumenEste artculo presenta la metodologa y los resultados experimentales de una prctica de laboratorio centrada

en el concepto de combustin. Presenta un mtodo experimental en el que se evidencia el empleo del mecheroBunsen en el laboratorio de qumica como fuente de calor. Describe tambin las caractersticas generales de lallama que ste produce. Tambin especifica un mtodo de moldeado de vidrio con calor, empleando cortes ydobleces en un tubo capilar de vidrio. Presenta los resultados experimentales con su respectiva discusin. Porltimo presenta las conclusiones generales de la experiencia.

Palabras clave: Combustin, mechero Bunsen, tubo capilar de vidrio.

AbstractThis paper presents the methodology and experimental results of a lab experience focused on the concept

of combustion. Presents an experimental method for the use of Bunsen burner in the chemistry lab as a heatsource. It also describes the general characteristics of the flame it produces. It also specifies a method ofmolding glass with heat, using cuts and folds in a glass capillary. Presents the experimental results with theirrespective discussion. Finally presents the general conclusions.

Key words: Combustion, Bunsen burner, glass capillary.

INTRODUCCIN

El fuego fue la primera reaccin qumica que dominel hombre. El fuego, desde un punto de vista qumico, esuna reaccin de oxidacin en la que se desprende luz ycalor. A esta reaccin se le da el nombre de combustin.La combustin sirve al hombre como la ms importantefuente de energa provista por la naturaleza. La metalur-gia, la siderurgia, la qumica, la petroqumica, la mec-nica, la termoelctrica y la gastronmica, son ejemplosde industrias que emplean este fenmeno qumico comola principal fuente de energa calrica.[4]

En el laboratorio de qumica, la combustin es funda-mental ya que produce (generalmente) que las reaccio-nes qumicas procedan mucho ms rpido. El combus-tible que se emplea normalmente, es un tipo de mezclade hidrocarburos conocida como gas natural; el combu-rente es el oxgeno del aire y el implemento donde seproduce la combustin es mostrado en la figura 1: elmechero o quemador Bunsen1. En la combustin de hi-drocarburos, la combustin es completa cuando, ademsde luz y calor, se producen agua y dixido de carbono2.Es incompleta cuando adems de producir luz, calor yagua, se obtiene holln o monxido de carbono3. [3]

La flama (llama), que es la manifestacin visual que1Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899), naci en Gotinga (Alemania) donde estudi y obtuvo el doctorado en qumica. Fue un

excelente investigador, profesor y tambin un gran experimentador, y sigui sindolo a pesar de perder un ojo por una explosin.Introdujo mejoras en el mechero de Faraday en 1857 (Faraday hizo modificaciones de la lmpara de Davy, que haba sido mejoradapor Aim Argand) con objeto de conseguir una mejor combustin de los gases y tener una fuente calorfica ms potente. [1]

2Dixido de carbono (CO2): CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g).3Holln (C(s)): CH4(g) +O2(g) C(s) + 2H2O(g); Monxido de carbono (CO(g)): 2CH4(g) + 3O2(g) 2CO(g) + 4H2O(g).

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normalmente se observa en esta reaccin, se produce porla velocidad a la que ocurre el cambio qumico, y depen-diendo de los compuestos involucrados en la reaccin,puede tomar distintos colores. En el caso de la com-bustin de hidrocarburos y dependiendo de la cantidadde oxgeno presente, sta puede ir de tonos amarillos,pasando por naranjas y violetas, hasta azules plidos.

Figura 1: Mechero o quemador Bunsen. Fuente: Wiki-media Commons.

Un uso que se puede dar a la combustin es el mol-deado de vidrio. El vidrio es uno de los materiales msvaliosos y verstiles de la humanidad. Es tambin unode los ms antigos. Es el producto de mezclar en fundi-cin materiales inorgnicos (como el dixido de silicio, elxido de silicio y el xido de boro) que se han enfriadoa un estado rgido sin cristalizar. Cuando se somete acalentamiento puede volver a su forma lquida. El vidrio

fundido es maleable y se le puede dar forma mediantediversas tcnicas.

El vidrio suele ser transparente pero tambin puedeser traslcido u opaco. Su color vara segn los ingre-dientes empleados en su fabricacin. En fro, puede sertallado. A bajas temperaturas es quebradizo y se rompe.[2]

El objetivo de este artculo es presentar la metodolo-ga, los resultados y las conclusiones de una experienciaen laboratorio en la que se evidenci como fuente decalor el mesero Bunsen, las caractersticas generales dela llama que produce, as como observar los efectos quela temperatura tiene en el vidrio. En la primera parte, sepresentan los implementos y los pasos empleados paramontar adecuadamente el mechero as como los efectosque sobre la combustin tiene la manipulacin de suspartes; se presentan tambin las caractersticas genera-les de la llama que produce y los efectos que la energacalrica que entrega, produce en trozos de tubo capilarde vidrio. En la segunda parte se presentan los resulta-dos obtenidos. En la tercera parte, se hace una discusinsobre estos resultados y por ltimo se presentan las con-clusiones.

1. EXPERIMENTACINA continuacin se describen los materiales y las me-

todologas experimentales realizadas en laboratorio:

1.1. Materiales.1 Mechero Bunsen con manguera.

2 Fsforos.

1 Alfiler.

1 Pinza para crisol.

2 Laminas de papel de 10 10 cm.

1 Tubo capilar de vidrio de 50 cm.

1 Lima triangular.

1.2. Metodologa de experimentacin:1.2.1. Mechero Bunsen.

1. Se reconoci el mechero y sus partes.

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2. Con la ayuda de una manguera, se conect el me-chero (a travs de su niple de entrada de gas) ala lnea de suministro de gas naturalo, con el cui-dado de tener la llave de suministro, la llave deseguridad y la llave de paso de gas (ver figura 1)cerradas.

3. Se ajust el anillo de ventilacin de tal forma quelos orificios quedaran reducidos en un 50% apro-ximadamente.

4. Se abrieron las llaves de suministro de gas y de se-guridad y se encendi el primer fsforo. Se acerca la boca superior de la chimenea (o quemador.Ver figura 1) y se abri la llave de paso de gas.

5. Una vez se tuvo una llama consistente, se modifi-c la posicin del anillo de ventilacin (ver figura1), as como la posicin de la llave de paso de gas.

6. Se cerraron las llaves de paso de gas, de seguridady de suministro de gas, produciendo la extincinde la flama.

7. Se fijo un alfiler a la parte inferior de un fsforode tal manera que quedaran paralelos, y se intro-dujeron en la chimenea del mechero.

8. Con el alfiler y el fsforo al interior de la chimenease repiti el paso 4.

9. Con el mechero encendido y con ayuda de unapinza para crisol, se tom el alfiler y se subi elfsforo hasta la parte superior de la llama.

1.2.2. Flama de la combustin.

1. Con el mechero encendido, se tom una lmina depapel y, de manera perpendicular, se introdujo ala llama el tiempo apenas suficiente para que lalmina no ardiera.

2. Con el mechero encendido, se tom una lmina depapel y, de manera paralela, se introdujo a la lla-ma el tiempo apenas suficiente para que la lminano ardiera.

1.2.3. Cortado y moldeado de tubo capilar de vi-drio.

1. Con ayuda de una lima se hizo una incisin fina a12, 5 cm de una de las puntas del tubo capilar devidrio. Se hizo presin suficiente con los pulgareshasta quebrar el tubo en la incisin realizada.

2. Las puntas del trozo se sometieron al fuego hastaredondear sus bordes.

3. Se repitieron los pasos 1 y 2, hasta obtener un to-tal de cuatro trozos de tubo capilar de vidrio de12, 5 cm.

4. Un trozo de tubo capilar de vidrio se introdujo, demanera perpendicular, en la llama; de tal formaque la llama quedara en el centro del tubo.

5. Se rot constantemente el tubo sobre su eje lon-gitudinal hasta que el punto de contacto con lallama estuviera maleable.

6. Se repiti el paso 5 para obtener trozos de tubodoblados, formando ngulos de 45, 90 y 120.

7. Se repiti el paso 5 y se estir el tubo hasta formarun hilo de vidrio en el centro del trozo de tubo.

2. RESULTADOSA continuacin se presentan los resultados obtenidos

en cada una de las metodologas experimentales.

2.1. Mechero Bunsen.A continuacin se presentan los resultados experi-

mentales de la seccin 1.2.1.Se evidenci la combustin del gas natural en el me-

chero Bunsen.Al manipular la llave de paso de gas se observ el

crecimiento o decrecimiento de la llama. Si la llave secierra lo suficiente es posible extinguir la llama. Si la llavese lleva a apertura mxima, la llama adquiere su mayortamao, es violenta y se percibe la mxima produccinde calor (siempre y cuando el orificio de ventilacin estlo suficientemente abierto).

Al manipular la posicin del anillo de ventilacin seobserv cambio de color en la llama y turbulencia. Alcerrar completamente el orificio de entrada de aire, seobserv en la llama el aumento del color amarillo y lareduccin del color azul, con presencia de turbulencia.Al abrir completamente el orificio de entrada de aire, seobserv la llama de color mayoritariamente azul y re-duccin mxima del color amarillo. Se observ tambinmxima turbulencia. Se encontr que la posicin dondese presenta una flama con la menor turbulencia y con elmximo color azul posible, fue con la llave de paso degas en el 75% de su apertura aproximadamente, y conel orificio de entrada de aire en un 50% de su aperturaaproximadamente.

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2.2. Flama de la combustin.A continuacin se presentan los datos experimenta-

les de la seccin 1.2.2.En la figura 2, se muestra una foto de la lmina de

papel de 10 10 cm que se ha introducido de mane-ra perpendicular a la llama de un mechero Bunsen poralrededor de tres segundos, y a una distancia aproxima-da de cuatro centmetros de la boca de la chimenea (oquemador).

En la figura 3, se muestra una foto de la lmina depapel de 10 10 cm que se ha introducido paralela ala llama de un mechero Bunsen por alrededor de tressegundos y de manera tal que una de sus aristas hizocontacto con la linea diametral de la boca superior dela chimenea (o quemador).

Figura 2: Lmina de papel de 1010 cm introducida demanera perpendicular a la llama de un mechero Bunsen.En color ocre, la combustin de la capa superficial de lalmina. FUENTE: El autor.

Figura 3: Lmina de papel de 1010 cm introducida demanera paralela a la llama de un mechero Bunsen. Entonos ocres, la combustin de la capa superficial de lalmina. FUENTE: El autor.

En el apndice A se observan las lminas reales em-pleadas en el proceso descrito en la seccin 1.2.2.

2.3. Cortado y moldeado de tubo capilarde vidrio.

A continuacin se presentan los datos experimenta-les de la seccin 1.2.3.

Las figuras 4, 5, 6 y 7, muestran fotografas del re-sultado del proceso de cortado del tubo capilar de vidriode 50 cm y posterior redondeado de puntas y moldeado(doblado en ngulos de 45, 90 y 120, y alargado).

Figura 4: Tubo capilar de vidrio doblado en un ngulode 45. FUENTE: El autor.

Figura 5: Tubo capilar de vidrio doblado en un ngulode 45. FUENTE: El autor.

Figura 6: Tubo capilar de vidrio doblado en un ngulode 45. FUENTE: El autor.

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Figura 7: Tubo capilar de vidrio doblado alargado.FUENTE: El autor.

En el apndice B se observan los trozos reales em-pleados en el proceso descrito en la seccin 1.2.3.

3. DISCUSIN3.1. Mechero Bunsen.

La flama que se observa en el mechero es la manifes-tacin visual de la combustin. sta se produce por lamezcla del gas natural que se inyecta desde la lnea desuministro y el oxgeno del aire que entra por los orificiosde entrada de aire (ver figura 1) del anillo de ventila-cin. Al mover la llave de suministro de gas y el anillode ventilacin se est cambiando las concentraciones decombustible y comburente de la mezcla:

Cundo el orificio de ventilacin estuvo totalmen-te tapado se bloque el acceso de oxgeno a lachimenea y la llama se redujo. Se observ produc-cin de luz, pero con destellos amarillos y azulesen igual proporcin. En esta situacin se percibimnima produccin de calor.

Cundo el orificio estuvo semi tapado, la llama au-ment de tamao y se acentu el color amarillo.Se produjo ms calor y luz que en el caso anterior.

Cundo el orificio estuvo totalmente abierto, seobserv la disminucin del color amarillo en la lla-ma (se observ solamente en la parte turbulentade la llama) y la aparicin de un color azul-cielo,semitransparente. Se percibi mxima produccinde calor, sin embargo se observ turbulencia einestabilidad en la llama. Se atribuye este hecho ala intensidad del viento en el laboratorio (las ven-tanas del laboratorio estuvieron abiertas durantela prctica).

Se ajust la apertura del oficio de ventilacin delmechero en un 75% aproximadamente. En estecaso, la turbulencia de la llama se redujo al mxi-mo. Las zonas amarillas de la llama desaparecierony se mantuvo el color azul-cielo semitransparente.

3.2. Flama de la combustin.Se observ la zona caliente de la llama producida por

el mechero. Dicha zona se asemeja a una capa cnicaexterior. En la periferia de la llama, como se puede ob-servar en la figura 2, la temperatura es superior que alinterior de la misma. La temperatura es mxima en lascercana del borde superior de la chimenea del mechero,como se puede observar en la figura 3.

3.3. Cortado y moldeado de tubo capilarde vidrio.

Se pudo observar que con solo una muesca en el tubocapilar de vidrio es posible la ruptura del mismo. Al mo-mento de someter al fuego el tubo capilar, es importantela posicin relativa con respecto a la llama. Es decir, en-tre ms profundo est el tubo en la llama, la seccinde tubo dentro de la llama es mayor. Esto es indesea-ble, si se desea obtener radios de curvatura inferiores.Por ejemplo, en la figura 4 se observa, con respecto ala figuras 5 y 6, un radio de curvatura mayor. Esto esresultado de calentar el tubo ms cerca de la boca dela chimenea del mechero. Se evidenci la presencia desodio en el vidrio por el color amarillo en la porcin dela llama ms cercana al tubo capilar. Al tubo mostradoen la figura 7, adems de someterlo a un proceso dealargado, tambin se le ha cerrado su orificio izquierdo.Este cierre fue el proceso que ms tiempo demand.

4. CONCLUSIONESEn esta prctica se evidenciaron las caractersticas

principales de la combustin: su manifestacin visual (laflama), su reaccin ante la variacin de la cantidad decombustible y comburente disponible, as como las zo-nas ms calientes en una llama producida en un mecheroBunsen.

Se conocieron las partes ms importantes del meche-ro o quemador Bunsen, as como su importancia comofuente de calor en el laboratorio.

Se evidenci uno de los usos de la combustin comoson los procesos de moldeado de vidrio. Se evidenci elresultado que el aumento en la temperatura produce enel vidrio: disminuir su viscosidad. Con esta caractersticadel vidrio fue posible su realizar distintos dobleces en untubo capilar. Se observ que una vez el vidrio disminuyesu temperatura, despus de un proceso de calentamien-to, este vuelve a aumentar su viscosidad al punto decomportarse nuevamente como un slido.

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REFERENCIAS[1] R. Domnguez, R. Torralba, P. Escudero, M.T. Mar-

tn y M. Martn, Los aparatos de Buensen y suaplicacin didctica, Rev. de Qumica PUCP, vol.26, 2012.

[2] R. Chang y W. College, Las fuerzas intermolecu-lares y los lquidos y slidos - Slidos Amorfos en

Qumica, 7ma ed., D.F., Mx., McGraw-Hill, 2002,p. 442.

[3] O. Danilin, Combustin, Cat. Integracin II, Dep.de Ing. Qumica, Fac. Reg. La Plata, Univ. Tec. Na-cional, 1999.

[4] I. Martnez, Procesos de combustin: caractersti-cas en Termodinmica bsica y aplicada, 1ra ed.,Mad., Esp., Dossat S.A., 1992, pp. 355-

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ANEXOS

A. Lminas sometidas a la llama del mechero Bunsen.

(a) Lmina sometida perpendicularmente a la flama de un mechero Bunsen.

(b) Lmina sometida paralelamente a la fla-ma de un mechero Bunsen.

Figura 8: Lminas de papel resultado de la seccin 1.2.2. FUENTE: El autor.

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B. Trozos doblados de tubo capilar de vidrio.

(a) Trozo doblado en ngulo de 45. (b) Trozo doblado en ngulo de 90.

(c) Trozo doblado en ngulo de 120.

(d) Trozo alargado.

Figura 9: Trozos de tubo capilar de vidrio sometidos al proceso descrito 1.2.3. FUENTE: El autor.

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C. Preguntas pre-laboratorio.1. Por qu las reacciones qumicas deben ser frecuentemente calentadas en el laboratorio?

Porque, generalmente, el aumento de la temperatura favorece la velocidad de la reaccin. Es decir, hace quela reaccin que se sirve del aumento de la temperatura, se de ms rpido.

2. Cmo puede ajustarse la temperatura de una flama en el mechero Bunsen?Controlando la entrada de aire a la chimenea. sto se logra ajustando la posicin de la ventana de aire.

3. Cul flama es ms caliente: una flama azul o una flama amarilla?Una flama azul: Cono externo violeta, conos medio e interno color azul. La transferencia de energa es mnimapara produccin de luz y mxima para produccin de calor, contrario a lo que sucede en la flama amarilla.

4. Describe el estado fsico y las caractersticas del vidrio.Son lquidos sobreenfriados con una viscosidad tan alta que se comportan mecnicamente como slidos. Sonmolecularmente amorfos; inorgnicos, inertes y compuestos principalmente de silicatos. Duros, resistentes aldesgaste, a la corrosin y a la compresin.

5. Consulta aspectos relacionados con la reaccin de combustin (combustin completa e incompleta)as como la utilidad de esta reaccin.La combustin de combustibles de origen fsil es una reaccin qumica de oxidacin en la que se desprende luzy calor. Esta reaccin se manifiesta visualmente gracias al fuego. Cuando la combustin es de hidrocarburos,la combustin produce agua, luz, energa y un compuesto con tomos de carbono. Cuando ese compuestoes holln o monxido de carbono la combustin es incompleta y una porcin considerable de la energadesprendida se transforma en luz. Cuando el compuesto resultante es dixido de carbono la combustines completa y en este caso la energa liderada es entregada en forma de calor (mayoritariamente). Conla combustin se obtiene energa calrica u otros tipos de energas, pero de manera indirecta. Le energacalrica es aprovechada por las industrias metalrgica, siderurgica, qumica, entre otras, y de forma indirecta,las industrias automotriz, mecnica, elctrica. En general, la combustin es usada para la eliminacin deresiduos, restos y basuras; para la desinfeccin de mquinas e implementos, y tambin en sistemas decalefaccin domstica y colectiva.

D. Cuestionario post-laboratorio.1. Un estudiante enciende el mechero Bunsen. Qu debe hacer para obtener una flama apropiada?

Abrir la llave de flujo de gas hasta obtener la altura deseada de flama. Por ltimo, ajustar el anillo deventilacin hasta obtener la mayor coloracin azul y transparencia posible en la llama.

2. Dibuje el mechero usado y seale en el dibujo sus partes.

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3. Consulte dos (2) nombres de mecheros diferentes al Bunsen e indique las diferencias con este.Los mecheros Bunsen y Teclu llevan el mismo nombre que su inventor y son muy similares. La diferenciaprincipal entre ellos es la forma en que se alimenta la llama con aire. En el mechero Bunsen el aire entradirectamente al tubo quemador a travs de un orificio en su parte inferior y fluye hacia arriba. En el mecheroTeclu el aire entra por debajo del cono del tubo quemador y la cantidad se regula mediante un discomoleteado en el tubo. Gracias a este dispositivo, el ajuste de la llama en el mechero Teclu es ms fino yestable. El disco moleteado tampoco se calienta mucho con el uso prolongado, como pasa con el mecanismode regulacin del mechero Bunsen. Los mecheros Meker-Fisher se caracterizan por tener un tubo bastanteancho. Aqu la combustin de gas es mayor y la llama es ms caliente. Estos mecheros pueden calentarvolmenes o masas mayores que la mayora de los mecheros de otro tipo.

4. Un estudiante obtiene una flama amarilla y que produce un residuo negro. Qu ajustes deberealizar el estudiante a fin de obtener una flama azul y con gran poder de calentamiento?Debe ajustar el anillo de ventilacin para permitir una mayor cantidad de aire (oxgeno) a la chimenea.

5. Cul es la composicin en trminos porcentuales del gas natural empleado en el laboratorio?

Especificaciones PorcentajeMetano 98%Etano 0.249%

Propano 0.054%i-Butano 0.025%n-Butano 0.009%i-Pentano 0.008%n-Pentano 0.001%Hexano 0.018%

Nitrogeno 1.395%Dixido de carbono 0.242%

Fuente: www.ecopetrol.com.co

6. Dibuja la flama y sus partes, indicando la temperatura aproximada para cada zona.

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7. Cul es la composicin del vidrio?

Especificaciones PorcentajeDixido de silicio 72%Sulfato de sodio 14%xido de calcio 9%

xido de magnesio 4%xido de aluminio 0,7%xido de calcio 0,3%

Fuente: www.cebrace.com.br

8. Cul es el mejor vidrio para laboratorio: vidrio blanco o vidrio Pirex? Explica tu escogencia.Vidrio Pyrex. Este es totalmente traslucido, facilitando la observacin del contenido. Es ms resistente queotros vidrios al choque trmico. Es menos denso y pticamente tiene menor dispersin.

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EXPERIMENTACINMateriales.Metodologa de experimentacin:Mechero Bunsen.Flama de la combustin.Cortado y moldeado de tubo capilar de vidrio.

RESULTADOSMechero Bunsen.Flama de la combustin.Cortado y moldeado de tubo capilar de vidrio.

DISCUSINMechero Bunsen.Flama de la combustin.Cortado y moldeado de tubo capilar de vidrio.

CONCLUSIONESLminas sometidas a la llama del mechero Bunsen. Trozos doblados de tubo capilar de vidrio. Preguntas pre-laboratorio.Cuestionario post-laboratorio.