Comparación experimental de las características y

adecuación de la pólvora fabricada con nitrato de

potasio y nitrato de sodio para artículos

pirotécnicos

José Manuel Borrego Burón

Monografía

Tutora: Maria Calsamiglia

Asignatura: Química

2º Bachillerato – 2013/14

Resumen

Se han realizado distintos experimentos para comparar las características de una

pólvora elaborada con nitrato de potasio y una elaborada con nitrato de sodio y su uso en

artículos pirotécnicos. Este estudio se ha realizado en un entorno escolar y con material

adecuado aunque no especializado en pirotecnia. De todos modos, los resultados obtenidos

son concluyentes y, sobre todo, se ha establecido un método analítico para comparar distintas

pólvoras que es aplicable a nivel industrial. Por este motivo, el alcance de este estudio puede

ser considerable si se utiliza como guía para realizar otros más especializados y precisos.

La conclusión del estudio es que la pólvora de nitrato de sodio y la de nitrato de

potasio son igualmente útiles en pirotecnia en términos generales. Sin embargo, la de nitrato

de sodio sí es más adecuada que la de nitrato de potasio para elaborar artículos pirotécnicos

incoloros como los castillos, las bengalas y las mechas. Por otro lado, la pólvora de nitrato de

potasio es más adecuada para los juegos pirotécnicos y otros artículos con colorantes

pirotécnicos.

Índice

A. Introducción…………………………………………………………………………………………………….……….…...1

B. Objetivo………………………………………………………………………………………………………………………...2

C. Procedimientos…………………………………………………………………………………………………………..…2

D. Datos y resultados…………………………………………………………………………………………………………6

E. Análisis de procedimientos…………………………………………………………………………………………..17

F. Análisis de resultados…………………………………………………………………………………………………..18

G. Resultado final……………………………………………………………………………………………………………..20

H. Mejoras………………………………………………………………………………………………………………………..21

I. Trabajo futuro………………………………………………………………………….…………………………………..21

J. Conclusión……………………………………………………………………………….…………………………………..22

K. Agradecimientos……………………………………………………………………….………………………………….22

L. Bibliografía………………………………………………………………………………….………………………………..22

1

A. Introducción

Mi interés por la pirotecnia y la química me ha llevado a enfocar la monografía en esta

dirección.

Primero es necesario saber que los artículos pirotécnicos utilizan pólvora negra como

base de su reacción. Algunos utilizan otros compuestos para brindar nuevas características

(chispas, color, etc.). La pólvora negra, conocida desde hace siglos, se compone de nitrato de

potasio, azufre y carbón vegetal en las siguientes proporciones en masa: 75, 15 y 10 % [9].

Toda pólvora necesita un agente oxidante (nitrato de potasio) y un agente reductor (azufre y

también carbón) [3]. El hecho de que se trate de carbón vegetal es imprescindible pues su

estructura porosa permite que los otros dos reactivos se introduzcan en los poros permitiendo

una mayor concentración y contacto entre los tres, y así una mejor reacción.

Las características que una pólvora debe tener para pirotecnia comprenden su función

y su riesgo. Debe desprender mucha luz, pues es la base de los espectáculos, y ser regular;

también debe ser rápida para encadenar efectos. Por otra parte, debe desprender el menor

calor posible para evitar quemaduras y ser segura de conservar. Además, no debe ser

demasiado rápida para permitir a los usuarios alcanzar una distancia de seguridad.

Las características de la pólvora dependen del molido, mezclado y prensado de ésta,

todo son procesos físicos [8]. Sin embargo, ¿se puede conseguir pólvora utilizando otro

oxidante? ¿De ser así, sería una buena pólvora? Como comprobé en experimentos iniciales, la

reacción sólo funcionaba con KNO3 (ni con KF, KCl, etc.); decidí usar nitratos de distintos

metales.

El nitrato de sodio era interesante (porque el Na es un también un metal alcalino)

tanto más cuanto que averigüé que también se utiliza, en menor medida, para fabricar pólvora

[7]. Fabriqué pólvora con nitrato de Ca, del mismo período que K, y de tetramincobre, como

sal no binaria. Éste último se probó como curiosidad por el mero hecho de estar disponible en

el laboratorio de la escuela; no formaba parte del objetivo principal. La reacción sólo tuvo

lugar con el nitrato de potasio y de sodio.

Se trató con dos tipos de pólvoras: con KNO3 y NaNO3. Unas reacciones aproximadas

(pues el carbón vegetal se compone de otros elementos) que se tomarán como referencia son

las siguientes:

[6]

Para averiguar si es una buena pólvora diseñé experimentos para medir inicialmente la

iluminación, la velocidad media y el calor de reacción. Por otra parte consideré medir el

rendimiento, y el tiempo de ignición y tiempo de reacción continua (tiempo que tarda en

apagarse aunque no haya sido una reacción completa) como medidas estadísticas de la

regularidad de la pólvora. Por último, dado que se fabrican silbadores y petardos, cuyo

objetivo es el sonido, decidí comprobar si la intensidad sonora varía con el reactivo.

2

A lo largo de este documento se utilizará KNO3 y NaNO3 como metonimia de la pólvora

fabricada con respectivas sustancias; cuando se refiera a las sales en sí, se usará su nombre

completo.

Cabe decir que los errores sistemáticos que se comentan no afectan en gran medida

los resultados de este estudio porque se trata de una comparación; siempre y cuando los

supuestos sean iguales para cada tipo de pólvora, la comparación no se verá afectada.

En todo momento se ha tratado con muestras de 1 g debido a la peligrosidad que

supondría utilizar masas mayores.

B. Objetivo

Mi objetivo es comparar experimentalmente la pólvora fabricada con nitrato de

potasio y la fabricada con nitrato de sodio y comprobar su adecuación en pirotecnia.

C. Procedimientos

Todos los experimentos fueron diseñados por mí (a partir del material disponible y mis

conocimientos prácticos) y realizados en el laboratorio de la escuela bajo la supervisión

continua de un adulto y mi tutor.

a) Elaboración de la pólvora

Material:

3,000g Carbón vegetal de uso doméstico

2,000g Azufre

12,612g Nitrato de sodio/15,000g Nitrato de potasio

Molinillo de café Moulinex

Báscula Ohaus PA-213

Se muele durante 3 min el carbón hasta conseguir un polvo fino, se añaden los demás

componentes (fig. 1) y se muele durante 20 minutos. Se limpia el molinillo escrupulosamente

para preparar más pólvora.

Fig. 1 : Preparación de pólvora para prueba

3

b) Preparación de las muestras

Material:

Encendedor

Tablilla de barro

Pólvora (de cada composición)

Báscula Ohaus PA-213

Se pesa 1g de pólvora. Se coloca en la tablilla de barro. En el momento adecuado se

prende con el encendedor.

c) Calor de reacción

Material:

Tubo de ensayo

Agua destilada

Sensor térmico Vernier

Soporte

Se añade agua al tubo de ensayo hasta a alcanzar los 2g. Se coloca el tubo a 5 cm de la

muestra con el soporte. Se introduce el termómetro en el tubo sin que haga contacto con el

vidrio (fig. 2). Se prende la muestra y se toma la temperatura inicial y final del agua.

Fig. 2: Montaje para la calorimetría

4

d) Intensidad luminosa

Material:

Soporte

Sensor de luz Vernier

Se coloca el sensor con el soporte a 15 cm de la muestra (fig. 3) . A oscuras, se prende

y se mide el nivel de iluminación.

Fig. 3: Montaje para la iluminación

e) Intensidad acústica

Material:

Soporte

Medidor de nivel acústico Vernier

Se coloca el sensor con el soporte a 15 cm de la muestra (fig. 4). Se prende y se mide el

volumen. El experimento debe realizarse en un ambiente lo más insonoro posible.

Fig. 4: Montaje para el nivel acústico

5

f) Velocidad

Material:

Báscula Ohaus PA-213

Dispositivo de vídeo

Se coloca la muestra en la báscula, tarada con la masa de la tablilla. Se prende la

muestra y se graba el proceso en vídeo (fig. 5).

Fig. 5: Fotograma de una de las grabaciones

g) Tiempo de ignición y de reacción

Material:

Cronómetros 1-2

Se prende el encendedor y se acerca a la muestra; cuando están en contacto, se inicia

el cronómetro 1. Cuando la muestra prende se para el cronómetro 1 y se inicia el 2. Cuando la

muestra deja de reaccionar, se para el cronómetro 2.

h) Rendimiento

Material:

Pincel

Báscula Ohaus PA-213

Vaso de precipitados

Se prende la muestra. Con la ayuda del pincel, se recoge el polvo restante en el vaso de

precipitados y se pesa.

6

D. Datos y resultados

Cualitativos

El NaNO3 produce una luz amarilla más intensa, reacciona de forma más constante y

controlada y desprende un olor más intenso. El KNO3 reacciona de forma agresiva y tiene un

color blanco anaranjado, además de desprender más chispas (fig. 6).

Fig. 6: Muestras de las reacciones de KNO3 (izda.) y de NaNO3 (dcha.)

Cuantitativos

a) Calorimetría

Los datos brutos se muestran en la tabla 1. Los errores de los datos provienen estrictamente

de la precisión del instrumental.

Pólvora Ti (ºC) ±0,1

Tf (ºC) ±0,1

mH2O (g) ±0,01

mmuestra(g) ±0,01

KNO3 26,4 33,5 2,11 1,02

28,8 36,5 1,99 1,01

28,7 34,2 2,07 1,03

28,2 36,3 2,13 1,02

26,5 39,2 2,02 1,05

NaNO3 26,1 38,9 2,12 1,03

26,8 41,0 2,10 1,01

26,7 40,3 2,04 1,02

26,5 42,8 2,08 1,01

26,7 44,6 2,01 1,04 Tabla 1: datos brutos de la calorimetría

Se calcula el cambio de temperatura y junto con la masa de agua calentada y su calor

específico ( - - ), se calcula el calor producido siguiendo la ecuación:

El error relativo de Q es la suma de los errores relativos de mH2O y T. ce se considera constante

y por lo tanto se multiplica para obtener el error absoluto.

7

Pólvora ΔT (ºC)

±0,2 mH2O (g)

±0,01 Q (J) δQ (J)

KNO3 7,1 2,110 63 9

7,7 1,990 64 8

5,5 2,070 48 8

8,1 2,130 72 9

12,7 2,020 107 9

NaNO3 12,8 2,120 113 10

14,2 2,100 125 10

13,6 2,040 116 10

16,3 2,080 142 10

17,9 2,010 150 10 Tabla 2: cálculo del calor transmitido al agua

Ahora se debe calcular el calor por gramo. Basta con dividir Q por la masa de la

muestra. La entalpía de reacción es negativa pues se trata de calor cedido al sistema (proceso

exotérmico) (tabla 3):

Pólvora Q (J) δQ(J) mmuestra(g)

±0,01 ΔH (J·g-1) δΔH(J·g-1)

KNO3 63 9 1,02 -61 9

64 8 1,01 -63 9

48 8 1,03 -46 8

72 9 1,02 -71 9

107 9 1,05 -100 10

NaNO3 113 10 1,03 -110 10

125 10 1,01 -120 10

116 10 1,02 -110 10

142 10 1,01 -140 10

150 10 1,04 -150 10 Tabla 3 : cálculo de la entalpía de reacción

El error relativo del calor de reacción es la suma de los errores relativos de Q y mm. Se

calcula la media para cada tipo y se toma como error el mayor de los errores:

KNO3 ΔH=-70±10 J·g-1

Na NO3 ΔH=-130±10 J·g-1

8

b) Intensidad acústica

Se obtiene un gráfico del nivel de intensidad acústica para cada muestra (gráfico 1). Se

calcula la media y la desviación estándar del tramo en el que la reacción tenía lugar:

Gráfico 1: gráfico del nivel de intensidad acústica de la muestra 1 de NaNO3 Gráfico 2: análisis estadístico aplicado

Se obtiene el nivel de intensidad acústica medio para cada muestra (tabla 4). Su error

es la suma cuadrática de la desviación y la precisión del sensor.

Pólvora LI (dB) δLI (dB)

KNO3 68 3

67 4

65 3

66 4

64 4

NaNO3 64 4

62 5

66 3

64 4

71 3 Tabla 4: datos obtenidos del análisis estadístico de los gráficos de nivel de intensidad acústica

Se calcula la intensidad sonora media a partir de estos datos según:

Donde .

El error de I se estima con:

9

Pólvora LI (dB) δLI

(dB) I (W·m-2) δI (W·m-2)

KNO3 68 3 6·10-6 5 ·10-6

67 4 5·10-6 5 ·10-6

65 3 3 ·10-6 3 ·10-6

66 4 4 ·10-6 4 ·10-6

64 4 2 ·10-6 2 ·10-6

NaNO3 64 4 2 ·10-6 2 ·10-6

62 4 2 ·10-6 2 ·10-6

66 3 4 ·10-6 3 ·10-6

64 4 3 ·10-6 2 ·10-6

71 3 12 ·10-5 9 ·10-6 Tabla 5: cálculo de la intensidad acústica media

Se calcula la media para cada tipo de pólvora junto con su error, se sobreestima tomando el

máximo de los errores relativos de las intensidades. Se obtienen los siguientes valores:

KNO3 I

NaNO3 I

c) Rendimiento

Se ha medido la masa de la pólvora restante para 6 muestras de cada tipo así como la masa

total inicial (tabla 6):

Pólvora mR (g) ±0,01

mi (g) ±0,01

KNO3 0,26 1,02

0,10 1,04

0,17 1,03

0,14 1,02

0,27 1,01

NaNO3 0,17 1,02

0,08 1,01

0,06 1,03

0,05 1,00

0,12 1,03

0,09 1,01

0,18 1,02 Tabla 6: datos brutos para el rendimiento

Se calcula el rendimiento del proceso según:

El error se calcula a partir de las siguientes ecuaciones:

10

Para todos los casos el error coincide.

Pólvora (%)

±2

KNO3 76

94

86

88

74

85

NaNO3 93

97

95

91

92

84 Tabla 7: cálculo del rendimiento

Los resultados son y , para NaNO3 y KNO3 respectivamente. El error de estos

resultados se obtiene con la suma cuadrática de la desviación estándar y el error de los valores

(±2%).

d) Velocidad

Se obtiene un valor de la masa para distintos tiempos en la grabación de cada muestra (tabla 8,

muestra K+ 1 como ejemplo).

Pólvora Tiempo en video (s)

±0,01 m (g) ±0,01

KNO3 5,00 0,99

6,84 0,98

8,28 0,86

8,40 0,85

8,56 0,83

8,68 0,82

8,96 0,81

9,36 0,79

9,48 0,78

9,72 0,77

10,60 0,68 Tabla 8: datos brutos de la muestra 1 de KNO3

11

Para calcular el tiempo de reacción para cada momento basta con restar el tiempo de

grabación hasta el inicio de la reacción (5,00 s en el ejemplo). Por otra parte se calcula la masa

perdida (diferencia de cada masa puntual a la inicial). Se asume que dicha masa es

estrictamente de los gases producidos (CO2 y N2) por lo que se calcula la cantidad de reacción

que suponen:

Cada 404,13 g de gas producido equivale a 1 mol de reacción, por lo tanto:

Se expresan el valor en mmol. Su error viene dado por dividir el error de la masa por la

misma constante.

Pólvora t (s)

±0,02 mgas (g) ±0,02

n (mmol) ±0,05

KNO3 0,00 0,00 0,00

1,84 0,01 0,02

3,28 0,13 0,32

3,40 0,14 0,35

3,56 0,16 0,40

3,68 0,17 0,42

3,96 0,18 0,45

4,36 0,20 0,50

4,48 0,21 0,52

4,72 0,22 0,54

5,60 0,31 0,77 Tabla 9: cálculo de la cantidad de reacción de la muestra 1 de KNO3

Para calcular la velocidad media se divide la cantidad de productos entre el tiempo

transcurrido (n0 y t0 son 0):

Pólvora v (mmol·s-1) δ v

(mmol·s-1)

KNO3 137 9

150 10

88 6

103 7

NaNO3 66 5

99 6

67 4

92 5 Tabla 10: datos de la velocidad media de reacción

12

El error relativo es la suma de los errores relativos del tiempo y la cantidad producida.

De estos valores se obtiene la velocidad media para cada tipo de pólvora:

KNO3 v

NaNO3 v

El error se obtiene mediante la suma cuadrática de la desviación estándar y el máximo

de entre los errores.

De los valores de la cantidad producida en cada momento se puede trazar un gráfico.

En el gráfico 3 se observa la representación gráfica de la tabla 9:

Gráfico 3: gráfico de cantidad de reacción en función del tiempo para la muestra 1 de KNO3

Los resultados para KNO3 y NaNO3 se muestran en los gráficos 4 y 5 respectivamente.

13

Gráfico 4: gráfico de cantidad de reacción en función del tiempo para KNO3

Gráfico 5: gráfico de cantidad de reacción en función del tiempo para NaNO3

14

e) Tiempo de ignición y de reacción continua

Se midió el tiempo de ignición y de reacción continua para 15 muestras de K+ y Na+ (tabla 11)

Pólvora t1 (s) ±0,01

t2 (s) ±0,01

KNO3 4,43 6,59

2,28 4,15

4,60 3,63

5,50 3,32

1,94 5,56

9,66 6,84

6,41 5,34

2,66 5,69

1,82 8,75

4,81 7,00

5,22 5,72

3,59 5,22

8,78 6,53

3,73 6,40

9,31 6,79

NaNO3 2,16 10,10

2,37 4,66

3,18 5,75

2,97 3,88

2,62 8,28

1,57 9,25

2,37 8,50

1,09 11,79

2,75 10,53

5,00 10,98

1,81 8,16

1,78 11,41

1,10 7,59

3,62 7,66

4,35 8,00

5,12 6,96 Tabla 11: datos brutos para el tiempo de ignición y de reacción continua

Se calcula la media de cada variable, el error es la suma cuadrática de la desviación estándar y

la precisión de los valores.

KNO3 t1=5±2 s ; t2=6±1 s

NaNO3 t1=3±1 s ; t2=8±2 s

15

f) Iluminación

Se obtiene un gráfico de la iluminación producida sobre el sensor por el tiempo para cada

muestra (gráfico 6, ejemplo de K+).

Gráfico 6 : gráfico de iluminación de la muestra 1 de KNO3 Gráfico 7: análisis estadístico aplicado a 6

Se realiza un análisis estadístico sobre el tramo en que la reacción tenía lugar; se

calculan la media, la desviación estándar y el máximo (gráfico 7).

En algunos casos (gráfico 8), la iluminación producida era superior a la sensibilidad del

sensor (tramo horizontal). De todos modos, los máximos se asumirán como tal.

Gráfico 8 : gráfico de iluminación de la muestra 3 de NaNO3

La desviación estándar es muy elevada. Los máximos, sin embargo, mantienen la

precisión del sensor pues corresponden a un valor puntual.

16

Pólvora E (lux) δE (lux) Emax (lux)

±1

KNO3 200 100 457

200 100 545

300 100 576

300 100 477

300 100 521

NaNO3 200 100 737

200 100 767

500 200 767

300 100 591

400 200 767 Tabla 12: Datos del análisis estadístico de los gráficos de iluminación

De la iluminación máxima obtendremos la intensidad máxima producida por las muestras

(tabla 13). Para calcularla:

;

;

F=flujo luminoso

I= intensidad luminosa I

E= iluminación

á u ó i [4]

Donde R es la distancia de la muestra al sensor: 15,0±0,2 cm (se aumenta la incertidumbre de

la cinta métrica por la manipulación). El error de la intensidad se calcula a partir de la siguiente

fórmula:

Pólvora Emax (lux)

±1 Imax (cd) δImax (cd)

KNO3 457 10,2825 2,4903

545 12,2625 2,9655

576 12,96 3,1329

477 10,7325 2,5983

521 11,7225 2,8359

NaNO3 737 16,5825 4,0023

767 17,2575 4,1643

767 17,2575 4,1643

651 14,6475 3,5379

767 17,2575 4,1643 Tabla 13: Cálculo de la intensidad luminosa máxima

17

Se calcula la media de intensidad para cada tipo de pólvora. El error es la suma

cuadrática de la desviación estándar y el máximo de las incertidumbres de los valores.

KNO3

NaNO3

g) Resultados finales

Pólvora Magnitud

KNO3 NaNO3

t2 (s) 6 ± 1 8 ± 2

t1 (s) 5 ± 2 3 ± 1

v (mmol·s-1) 120 ± 30 80 ± 20

(%) 82 ± 6 91 ± 5

ΔH (J·g-1) -70 ± 10 -130 ± 10

I (W·m-2) 4·10-6 ± 4·10-6 4·10-6 ± 4·10-6

Imax (cd) 12 ± 3 17 ± 4 Tabla 14: Resultados finales

E. Análisis de procedimientos

Se puede afirmar que los valores de la entalpía son inferiores a los reales sin necesidad

de cálculo por la asunción principal del experimento: todo el calor de reacción es transmitido

al agua. Sin embargo, el calor producido se transmite también al vidrio del tubo de ensayo, al

aire y a la tablilla. Otro error sistemático que reduce los valores es el hecho que la reacción no

era completa, como se ha comprobado con el rendimiento. Por lo tanto, el calor transmitido al

agua corresponde a una masa inferior de la utilizada en los cálculos.

La incertidumbre de las entalpías calculadas se sitúa por debajo del 15%. Su origen

reside en un error aleatorio, causado por la irregularidad de la reacción.

El error de la potencia sonora es del 100%. Sin embargo, se trata de valores muy

pequeños. La fuente de este error es en parte por el error aleatorio y, sobre todo, por el

cambio de escala logarítmica a lineal. Dicho cambio aumenta el error sobremanera, ya que

.

El único error sistemático considerable es el hecho de que la reacción no es completa.

De todos modos, la potencia sonora parece ser independiente de la masa.

Con tal de calcular el rendimiento se realiza la siguiente asunción: todo el polvo

restante es pólvora sin reaccionar. Por la naturaleza agresiva de la reacción es posible que una

parte de la pólvora se disperse lejos del foco. Este posible error aumenta el rendimiento

calculado ya que en realidad hay una mayor masa sin reaccionar. Otro error probable es que el

polvo restante contenga productos. La reacción forma sales en estado líquido que solidifican

de inmediato [1] por lo que es menos probable que haya productos polvorizados. Este error

18

disminuiría el rendimiento calculado ya que parte de la masa medida no es pólvora sin

reaccionar.

El error de los valores viene, nuevamente, por el error aleatorio.

Se ha hecho una asunción inicial para calcular la velocidad media: la masa perdida es

exclusivamente gas (CO2 , N2). Sabemos que en realidad la masa de gas producida es inferior

pues se observaba humo, por lo tanto, hay también partículas sólidas. Esto repercute en que la

velocidad calculada sea mayor que la real. Por otra parte, el hecho de que la reacción no sea

completa no afecta al resultado de la velocidad media.

Los errores de las velocidades se deben mayormente a un error aleatorio.

El cálculo de los tiempos de ignición y de reacción continua es puramente estadístico

por lo que los resultados no se ven afectados por ningún error sistemático a parte de la

precisión de los cronómetros. La incertidumbre proviene, por lo tanto, del error aleatorio.

Los valores de la iluminación presentan una desviación considerable. Esto se debe

principalmente a la irregularidad de la reacción. Se ha decidido no utilizar la iluminación media

por este motivo; no es un valor concluyente. Sin embargo, la iluminación máxima medida sí es

un valor concluyente. Cabe decir que en el caso del NaNO3 en tres muestras se alcanzó el

límite del sensor (767 lux), que se calibró para medir entre aproximadamente 0 y 600 lux. Por

ello, la intensidad máxima calculada es menor que la real.

El error de la intensidad proviene de la precisión del sensor y, sobre todo, del error

aleatorio.

F. Análisis de resultados

En primera instancia es evidente que el nivel de intensidad acústica no es una

diferencia consistente y menos aún lo es la intensidad acústica.

Los resultados de la velocidad media, los tiempos de reacción continua y el

rendimiento concuerdan. El NaNO3 reacciona a una velocidad menor, lo que supone que tenga

un tiempo de reacción continua mayor. Además, tiene un rendimiento mayor por lo que, en

parte, el tiempo de reacción también debe ser mayor, pues mayor parte de la reacción tiene

lugar (ver tabla 14).

Por otra parte, el tiempo de ignición es menor en el NaNO3. Teniendo en cuenta que el

encendedor utilizado era el mismo para dicho experimento (por lo tanto, la misma potencia) y

las muestras se tomaban alternando los nitratos (para asegurar que el desgaste del

encendedor afectase uniformemente), significa que el NaNO3 necesita un menor aporte de

energía para iniciar la reacción: su energía de activación es menor.

En cuestión termodinámica, la entalpía de reacción del NaNO3 es mayor. Por otra parte,

también alcanza una intensidad luminosa mayor. Teniéndolo en cuenta, puede ser que el

NaNO3 realice más trabajo, aunque la energía lumínica también proviene de ΔH. Esto

supondría que su energía libre de Gibbs es mayor que la de KNO3. Por lo tanto, la reacción de

NaNO3 sería más espontánea. Los cálculos lo confirman:

19

Especie

-492.7078 -393.1286

-466.6834 -365.8908

0.0000 0.0000

0.0000 0.0000

-393.5052 -394.3838

0.0000 0.0000

-1150.1816 -1064.4096

-1433.6894 -1316.3701

-1130.9352 -1047.6736

-1384.4856 -1266.8315 Tabla 15: datos termodinámicos de las especies implicadas [2]

Se calcula con los datos de la tabla 15. Como ejemplo se enseña el cálculo para de KNO3:

Pólvora Magnitud

KNO3 NaNO3

( ) -4035.2846 -4109.5244

( -4512.9463 -4603.2365 Tabla 16: resultados de entalpía y energía libre de Gibbs

Como se comprueba en los resultados de la tabla 16, los datos experimentales

concuerdan: el NaNO3 tiene una entalpía y una energía libre de Gibbs menores. Cabe insistir en

que la fórmula de la reacción es una aproximación por lo que no se considerarán estos cálculos

como totalmente concluyentes.

Por parte de la intensidad luminosa hay otro resultado notable. El color de la luz

emitida es significativamente distinto: en el KNO3 es blanca anaranjada y en el NaNO3 es de

amarillo intenso. El color proviene, claramente, de la excitación de los electrones de los

cationes K+ y Na+.

Los gráficos de velocidad de la reacción nos dan más información sobre el desarrollo

de ambas reacciones. Dicha curva presenta la cantidad de reacción producida a través del

tiempo, por lo tanto, la velocidad instantánea es su derivada. En ambos casos, sobre todo en

KNO3, el inicio de la curva es convexo, esto implica que la velocidad de la reacción va

aumentando. Aproximadamente a media reacción se observa que la curva es cóncava: la

velocidad va disminuyendo. La tendencia es llegar a un límite donde la velocidad es 0. Sin

embargo se observa que los últimos puntos (en ambos casos) se desvían notablemente de la

tendencia. Esto se explica por la asunción inicial. Cuanto más gas se produce, más sal se pierde

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en el humo, por lo que al final la masa de gas producida es menor que la calculada. De este

modo los puntos finales aparecen en una ordenada mayor a la real. El tramo inicial convexo se

explica por el hecho que la reacción se da en un medio sólido, por lo que al inicio la reacción se

propaga lentamente, pues sólo una parte de la capa superficial está en contacto con el

encendedor. De la comparación de ambos gráficos se puede deducir que el NaNO3 tiene una

velocidad bastante más constante que el KNO3.

Un resultado que afecta la mayor parte de los demás es el hecho de que la reacción de

KNO3 es más agresiva, entiéndase como más rápida e irregular. Se explica porque el catión K+

tiene un radio mayor que Na+. Esto implica que la longitud del enlace iónico del nitrato de

potasio sea mayor y, en consecuencia, tenga una menor fuerza. Por lo tanto el nitrato de

potasio es una sustancia más reactiva. Sin embargo, esto debería determinar que el KNO3

tenga una ΔH mayor, lo cual no concuerda con el resultado. Quizás la explicación de la

irregularidad viene dada por el hecho que el nitrato de potasio se fragmente y se introduzca

mejor en los poros del carbón. Este supuesto, junto a una mezcla, por lo tanto, irregular, indica

que el KNO3 reacciona más rápidamente (mayor superficie de contacto) e irregularmente. Por

otra parte, la incongruencia entre reactividad y ΔH puede ser debida al hecho de que aunque

el nitrato sea más o menos reactivo, la entalpía depende de también de los productos.

G. Resultado final

El NaNO3 produce más luz, tiene mayor rendimiento y es más constante. Estas

características son meliorativas en pirotecnia. Es evidente que un mayor rendimiento es

preciso para limitar la cantidad de pólvora usada. La constancia y velocidad media de la

reacción repercuten en unos efectos más controlables y duraderos. Una mayor intensidad

luminosa es perfecta para los fuegos de artificio.

Sin embargo, produce más calor lo cual puede suponer un peligro añadido (aunque

pequeño) para castillos pirotécnicos, fuentes y todo tipo de artículos terrestres de corta

distancia. Además, el hecho de que tenga una menor Ea supone que su conservación debe ser

más controlada que la de KNO3, pues existe un ligero peligro que reaccione de forma

espontánea a temperaturas elevadas. Menor tiempo de ignición (por la Ea menor) puede

suponer que al prender la pólvora el usuario deba apartarse más rápidamente. Sin embargo, sí

es conveniente para confeccionar mechas ya que si éstas prenden antes el usuario tiene una

reacción más inmediata y puede apartarse sin problemas. Además también ayuda en la

elaboración de mechas su menor velocidad y mayor estabilidad. No obstante, la peligrosidad

de ambas pólvoras es alta, por lo que su diferencia no es muy significativa.

El mayor inconveniente del NaNO3 es el color que desprende. Al ser un amarillo muy

intenso es más difícil de conseguir otros colores (con colorantes pirotécnicos [5]) en dicha

pólvora. El KNO3, por el contrario, al arder emite luz blanca anaranjada que actúa como lienzo

para otros colores.

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H. Mejoras

Para mejorar los resultados se proponen las siguientes recomendaciones:

Utilizar una bomba calorimétrica para medir el calor de la reacción. Si no es posible,

utilizar una camisa adiabática con tal de canalizar el máximo calor al agua.

Utilizar un sensor de intensidad sonora (en W·m-2) y no de nivel de intensidad (en dB),

para evitar pasar de escala logarítmica a lineal.

Para evitar la incertidumbre del rendimiento en otros experimentos se debe medir la

masa que realmente ha reaccionado. Para ello es necesario separar los productos de los

reactivos en el polvo restante. Es posible que una vía para conseguirlo sea una diferencia en la

solubilidad de las sales. También para el rendimiento es recomendable poner las muestras en

un recipiente semicerrado como un vaso de precipitados.

En el cálculo de la velocidad es conveniente recoger la sal presente en el humo

(situando un vidrio de reloj encima, por ejemplo) para poder calcular la auténtica masa de gas

producida.

Es adecuado utilizar un sensor de iluminación que tenga un rango mayor o esté

calibrado para una mayor iluminación, sin embargo se debe tener en cuenta que un rango

mayor implica menos precisión. Una calibración entre los 200 y los 900 lux debe ser suficiente.

Con tal de minimizar la aleatoriedad de las muestras es fuertemente indicado realizar

dos mejoras: tomar más muestras y fabricar una mejor pólvora. La primera recomendación

disminuye el error aleatorio por estadística. La segunda, sin embargo, se propone pues la

pólvora fabricada no era de gran calidad. Esto comporta que no fuese una mezcla homogénea.

El principal punto a mejorar es el molido; usando un molino de bolas durante varias horas se

consigue un nivel de granulado mucho mayor. La reacción sería más homogénea, constante y

rápida pues se aumentaría considerablemente la superficie de contacto de los reactivos.

I. Trabajo futuro

Se sugiere repetir el estudio con el mayor número de nitratos posible.

Se descubrió que al mezclar unos miligramos de nitrato de treatramincobre con las

pólvoras de nitrato de potasio y sodio, las reacciones se veían claramente afectadas. La

reacción de NaNO3 era más agresiva y la de KNO3 lo era menos. Sería interesante realizar un

estudio al respecto.

Para futuros estudios se propone comprobar si la intensidad sonora y la luminosa son

propiedades intensivas.

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J. Conclusión

El nitrato de sodio constituye un reactivo excelente para la pólvora usada en artículos

pirotécnicos incoloros, como podrían ser bengalas, tanto recreativas como de señalización.

También es más acertado su uso en mechas.

Por otro lado, el KNO3 es más indicado para artículos con colorantes pirotécnicos. Sin

embargo, la naturaleza higroscópica del nitrato de sodio hace que la pólvora sea más difícil de

conservar.

En resumen, ninguno es mejor componente en términos generales, son equivalentes.

Para aplicaciones específicas sí hay una jerarquía. Por lo tanto, sugiero que el NaNO3 se utilice

con más frecuencia.

Debido a la falta de recursos y/o instrumental más específico, estos valores tienen,

como se ha comprobado, una incertidumbre. Sin embargo, con este estudio se ha establecido

un método de comparación de distintas pólvoras.

Por lo tanto, este método se puede aplicar perfectamente a niveles industriales.

K. Agradecimientos

Agradezco profundamente a José Borrego Duque por su inestimable soporte como

ayudante de laboratorio.

También agradezco a Maria Calsamiglia por su supervisión del estudio y, junto a Aula

Escola Europea, por permitir que llevara a cabo los experimentos en las instalaciones de la

escuela.

L. Bibliografía

[1] American Chemistry Society- E.E.U.U: MOCELLA, Chris. The Chemistry of Gun Powder:

What Makes It Burn So Fast

http://www.youtube.com/watch?v=-fexHPCQCY4

[2] Chemistry Reference. Standard Thermodynamic Values

http://www.chemistry-reference.com/Standard%20Thermodynamic%20Values.pdf

[3] GERLING, Alan; BROCKERT, Ben; McCONNELL, Mark; Fireworks: The science behind

the spectacle -The Chemistry of Fireworks

http://library.thinkquest.org/15384/chem/

[4] Instituto Tecnológico de La Laguna- México: Flujo luminoso, intensidad luminosa e

iluminación

http://www.itlalaguna.edu.mx/Academico/Carreras/electronica/opteca/OPTOPDF1_archivos/U

NIDAD1TEMA2.PDF

[5] Kimbolton School - Reino Unido: Revd. Ron Lancaster. Chemistry of Fireworks

http://www.youtube.com/watch?v=M03esB_HBzM

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[6] Los átomos de Demócrito. La pólvora: termodinámica de una reacción muy energética

http://labquimica.wordpress.com/2007/09/16/la-polvora-termodinamica-de-una-reaccion-

muy-energetica/

[7] M. Jim. Chemistry of gunpowder

http://chemistry-and-edu.blogspot.com.es/2009/09/chemistry-of-gunpowder.html

[8] SMITH, Jane. Ning Po College, Hong Kong: Fireworks on display

http://www.npc.edu.hk/~chem/news/3_03/Fireworks.htm

[9] The Royal Institution- Reino Unido: Prof. Chris Bishop. The Science of Fireworks!

https://www.youtube.com/watch?v=rmtK2BgmGCw