1.4H: Baños de Agua, Arena y Aceite

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Los baños de agua, arena y aceite son fuentes de calor relacionadas, ya que envuelven un matraz en un material cálido (líquido o arena). A menudo se usa un termómetro para monitorear la temperatura del baño, y se usa para aproximar la temperatura interna del líquido en un matraz (el baño suele estar ligeramente más caliente que el líquido en el matraz).

Los baños de agua, calentados en una placa calefactora, son los más utilizados para calentar soluciones a\(100^\text{o} \text{C}\) (baños de ebullición, Figuras 1.53 + 1.54a). También se pueden utilizar para calentar a temperaturas más bajas, aunque puede ser difícil mantener una temperatura constante. Los baños de agua se pueden cubrir con papel de aluminio para evitar la evaporación excesiva, o para evitar que el exceso de humedad entre en recipientes abiertos. Los baños de agua fría también se pueden utilizar para enfriar aparatos de manera rápida (Figura 1.54b).

Los baños de arena, también calentados en una placa calefactora, se pueden usar para calentar soluciones a una amplia variedad de temperaturas, incluyendo temperaturas muy altas (>\(250^\text{o} \text{C}\)). La arena se puede colocar dentro de los platos de cristalización de Pyrex (como se usa con el baño de agua en la Figura 1.54b), aunque Pyrex puede agrietarse si se calienta a un ritmo demasiado rápido. La arena también se puede calentar a temperaturas moderadas dentro de platos delgados para tartas de papel de aluminio, pero no debe usarse a altas temperaturas ya que el aluminio se oxidará, haciendo que la lámina delgada se desintegre. Las latas gruesas de metal para tartas (Figura 1.54c) son alternativas indestructibles cuando se requieren altas temperaturas (pero pueden interferir con el mecanismo de agitación si se usa).

Un recipiente debe ser enterrado en un baño de arena tanto como sea posible ya que la superficie suele ser mucho más fría que la arena de abajo. Se puede usar una espátula o espátula metálica para apile la arena hasta al menos la altura del líquido dentro del matraz. La arena tarda mucho en calentarse y mucho en enfriarse. Para ahorrar tiempo, se puede precalentar un baño de arena mientras se ensambla un aparato siempre que se precaliente a una distancia de los líquidos orgánicos volátiles.

Si la arena se sobrecalienta y hace que un líquido hierva incontrolablemente, el matraz puede levantarse parcialmente de la arena, o la arena se puede mover con una espátula metálica lejos del contacto con el líquido. La arena permanecerá caliente incluso después de apagar la placa calefactora y, por lo tanto, los matraces deben levantarse del baño de arena para que se enfríen (Figura 1.54d). Los baños de arena caliente se pueden enfriar sobre una baldosa cerámica.

Baño de agua y baño de arena — Figura 1.54: a) Baño de agua hirviendo, b) Baño de agua para enfriar un aparato, c) Calentar un matraz con un baño de arena, d) Dejar enfriar un matraz.

Los baños de aceite son muy parecidos a los baños de agua, pero usan silicona o aceites minerales para permitir temperaturas más altas que el punto de ebullición del agua (>\(100^\text{o} \text{C}\)). Los baños de aceite de silicona se pueden calentar a\(250^\text{o} \text{C}\), mientras que los baños de aceite mineral se pueden calentar a\(300^\text{o} \text{C}\). \(^7\)El aceite mineral está compuesto por mezclas de alcanos de cadena larga, y así es combustible. Por lo tanto, se debe evitar el contacto directo con llamas abiertas.

Los baños de aceite se pueden calentar en una placa de cristalización Pyrex encima de una placa calefactora. También es bastante común que el aceite se caliente eléctricamente, a través de la inmersión de un cable enrollado conectado a un "Variac" (pieza de equipo azul claro en la Figura 1.55a). Un Variac se conecta a la toma de corriente y puede entregar voltaje variable a través del cable. Un Variac ajustado a “100" equivaldría a enchufar el sistema directamente a la pared\(\left( 100\% \right)\), mientras que un ajuste de “50" significa que el voltaje entregado se reduce a la mitad\(\left( 50\% \right)\). Al controlar la tensión entregada, se utilizan Variacs para regular la temperatura del aceite. Si tiene experiencia previa en el uso de un Variac con mantos calefactores, los ajustes no se traducirán en el baño de aceite ya que los cables del baño de aceite se calientan más rápidamente que los cables de un manto calefactor. También se puede usar un clip para papel en un baño de aceite (Figura 1.55c) y agitar con una placa de agitación para disipar el calor. Esto permite que la temperatura de un baño de aceite responda rápidamente a los ajustes hacia arriba o hacia abajo.

Figura 1.55: a) Baño de aceite conectado a un Variac, b) Baño de aceite, c) Clip de papel en el baño para agitar.

\(^7\)J. A. Dean, Manual de Química de Lange, 15\(^\text{th}\) ed., McGraw-Hill, 1999, Secc. 11.3. Adicionalmente, el punto de ebullición del aceite mineral es\(310^\text{o} \text{C}\).