Estequiometría de desplazamiento de gases y análisis de cenizas

[Estequiometría] Sección 5.

         [Desplazamiento de gases y cenizas]

         [Que es la ceniza]

Aparte de los experimentos sobre el rendimiento de reacción y reactivo limitante, existen diseños experimentales en estequiometría que son particularmente engorrosos de enfrentar. Estos incluyen el desplazamiento de gases, el análisis de combustiones incompletas y el análisis de la composición. Aunque todos ellos se basan en los mismos principios estequiométricos de transformación de gramos de A a gramos de B, presentan variantes que, con frecuencia, nos generan bloqueos mentales. Nos bloqueamos porque solemos pensar en la estequiometría como un diagrama de flujo, en lugar de verla como un conjunto de axiomas y teoremas combinables, despejables y más libres y flexibles. En este artículo, analizaremos el desplazamiento de gases y el análisis de la ceniza en una combustión incompleta.

Desplazamiento de los gases

El diseño experimental del desplazamiento de un gas consta de dos recipientes principales: un reactor y un manómetro. En el reactor se lleva a cabo una reacción rápida que produzca grandes cantidades de un gas no tóxico, como hidrógeno u oxígeno. La formación del gas provoca un aumento de la presión interna del sistema. La medición de la presión se realiza mediante el segundo recipiente, el manómetro, que puede construirse de forma sencilla utilizando una probeta invertida con agua como líquido de registro. Ambos recipientes se conectan mediante una manguera.

Además de estos elementos básicos, existen consideraciones técnicas importantes que deben tenerse en cuenta. Por ejemplo, se recomienda que el reactor sea un tubo con desprendimiento o un matraz Erlenmeyer con desprendimiento, de modo que la manguera pueda ajustarse de forma hermética. Para ello es conveniente utilizar abrazaderas (de cara plana o redonda). En mi laboratorio, aunque se contaba con las abrazaderas, no se disponía del destornillador adecuado, lo que impidió a algunos grupos de estudiantes evitar el escape parcial del gas. Estas consideraciones técnicas rara vez aparecen detalladas en los procedimientos de laboratorio, pero son cruciales para la validez experimental.

La idea básica del experimento es que, a medida que la reacción progresa, el gas producido sale del reactor en forma de burbujas, se desplaza a través del sistema y se acumula en el manómetro. El volumen de gas acumulado se utiliza posteriormente para realizar cálculos estequiométricos, como la determinación de la masa del reactivo limitante.

Sin embargo, este experimento presenta un detalle adicional importante: las burbujas de gas no son químicamente puras. El agua líquida circundante se filtra parcialmente en la burbuja en forma de vapor de agua, cuya cantidad depende de la temperatura. Este vapor contribuye a la presión total del gas, por lo que es necesario aplicar las leyes de Dalton de las presiones parciales para obtener resultados correctos.

Como alternativa al uso de tubos o matraces con desprendimiento, es posible emplear tapas de corcho con orificio central. En este montaje, es fundamental que el tubo que atraviesa la tapa quede herméticamente sellado, ya que cualquier fuga compromete la medición del gas. Para este fin, se utiliza normalmente un tubo de vidrio, debido a su alta disponibilidad en entornos escolares y a su baja reactividad química frente a la mayoría de los gases producidos en este tipo de reacciones.

[1] Teorema del desplazamiento de agua por recolección de un gas, permite calcular el volumen de la burbuja en el manómetro como una función de la masa, la presión de vapor y la presión atmosférica. Para verla detalladamente y su factor de conversión equivalente [Pulse aquí]

Aunque en numerosos videos educativos (por ejemplo, en YouTube) se observa que el tubo de vidrio se conecta directamente a la manguera, lo recomendable desde el punto de vista experimental es emplear una abrazadera que asegure la hermeticidad en la unión vidrio-goma. En muchos de esos videos, la ausencia de abrazaderas se debe probablemente a que se dispone de material de laboratorio de alta calidad, diseñado para garantizar un ajuste perfecto entre las piezas. Sin embargo, esta situación no es la más común en laboratorios escolares, por lo que resulta indispensable anticiparse a posibles fugas y asegurar adecuadamente todas las conexiones del sistema.

Estequiometría de cenizas

No todos los cálculos estequiométricos implican el consumo total del reactivo limitante. En reacciones interrumpidas, como descomposiciones térmicas o calcinaciones, se obtiene una ceniza formada por una mezcla de sólidos y reactivo no transformado, junto con gases liberados. En estos casos, se conoce la masa inicial del reactivo y la masa final del residuo, pero no su composición, por lo que la incógnita principal es la masa realmente consumida y, a partir de ella, la cantidad de productos, especialmente los gaseosos.

[2] Teorema de la cantidad de reacción en una descomposición térmica incompleta que genera uno o más gases. Para verla detalladamente y su factor de conversión equivalente [Pulse aquí]

Las descomposiciones térmicas pueden producir un gas o dos o más gases, y esta diferencia determina la estrategia de resolución. Cuando se forma un solo gas, la pérdida de masa permite calcular directamente la cantidad de reacción. Si se generan varios gases, el problema se simplifica mediante la construcción de un gas ideal equivalente a todos los gases, cuya masa representa la suma estequiométrica de todos los gases producidos, permitiendo aplicar los mismos principios de cálculo sin perder coherencia.

Una vez conocida la cantidad de reacción la puedes usar para calcular las masas producidas de las sustancias sólidas o que se consumió parcialmente del reactivo usando la forma [4] del [Teorema del reactivo limitante].

[Ej. Desplazamiento de gases y cenizas]

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