Física y Química

LA COMBUSTIÓN

REACCIONES DE COMBUSTIÓN

Dentro de las reacciones químicas hay un tipo llamado “reacciones de combustión”.

Una reacción de combustión es una reacción de oxidación rápida en la que se libera energía luminosa y calorífica.

Los procesos de combustión y de oxidación tienen algo en común: la unión de una sustancia con el oxígeno. La única diferencia es la velocidad con que el proceso tiene lugar. Así, cuando el proceso de unión con el oxígeno es lo bastante lento como para que el calor desprendido durante el mismo se disipe en el ambiente sin calentar apreciablemente el cuerpo, se habla de oxidación. Si el proceso es rápido y va acompañado de un gran aumento de temperatura y en ocasiones de emisión de luz (llama), recibe el nombre de combustión.

Ésta consiste en una combinación química con el oxígeno de la atmósfera para dar dióxido de carbono y agua. Se obtiene una gran cantidad de energía que se utiliza con fines industriales y domésticos.

Un ejemplo de reacción de combustión puede ser la del metano (gas natural):

metano + oxígeno dióxido de carbono + agua + energía

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O + 890 kJ/mol

Las reacciones químicas implicadas en la combustión no suelen, al contrario de lo que sucede en la oxidación, producirse de forma espontánea. Una fuga de gas puede permanecer un tiempo considerable sin que se produzca reacción alguna, pues es necesario un iniciador, como puede ser el contacto con una llama o chispa accidental, para que la combustión de comienzo.

Normalmente se requiere un aporte continuo de calor hasta que en un punto del material se alcanza la temperatura de inflamación y se produce la ignición. Una vez iniciada, la combustión se autoalimenta debido al carácter exotérmico de las reacciones de oxidación, generando calor y transmitiéndolo a otras partes del mismo combustible.

Aunque poco frecuente, la combustión espontánea puede darse si un cuerpo se oxida fácilmente y disipa muy mal el calor generado en la oxidación, de manera que aumenta gradualmente su temperatura hasta alcanzar el punto de inflamación.

Bajo determinadas condiciones de presión y temperatura, la combustión de ciertas sustancias puede ser extremadamente rápida, generando grandes cantidades de energía calorífica y de gases que se expanden y que pueden hacer estallar el recipiente que los contiene. En este hecho se fundamentan los explosivos.

APLICACIONES

Las aplicaciones de las reacciones de combustión son muy diversas. Pero las más importantes son las que se describen a continuación:

• La combustión en los seres vivos.

Los trabajos de Priestley y Lavoisier, llevados a cabo a finales del siglo XVIII, permitieron conocer que el mantenimiento de la vida en los seres vivos era posible gracias a reacciones internas de combustión que suministran la energía necesaria para mantener la actividad del organismo y, en el caso de animales de sangre caliente, la temperatura del propio cuerpo, venciendo el desequilibrio entre ésta y la del medio líquido o gaseoso que les rodea. En ambos procesos el aire que se respira produce la oxidación del carbono y el hidrógeno contenidos en la sangre, procedentes de la digestión de los alimentos ingeridos.

Si se realiza la combustión de esos alimentos en un laboratorio, se observa que se desprende una cantidad de energía superior a la generada por su oxidación en el organismo, si bien los productos finales son los mismos: dióxido de carbono y agua. Esa pérdida de energía aprovechable en el proceso respiratorio se debe a que su cadena de reacciones es muy distinta a la de una combustión ordinaria, que lleva implícita la formación de llama, evidentemente inexistente en la oxidación biológica, que debe verificarse dentro de los límites impuestos por las condiciones vitales del organismo.

• Fuentes de energía.

Entre los compuestos de carbono e hidrógeno, los más utilizados como fuente de energía son: el carbón, el gas natural y los productos derivados del petróleo. Para que su combustión sea completa, se requiere que la cantidad de aire utilizado en la misma tenga el oxígeno necesario que permita transformar todo el hidrógeno en agua y el carbono en dióxido de carbono.

Si la cantidad de oxígeno empleado es inferior, la combustión se denomina incompleta y se caracteriza por la presencia de cuerpos no totalmente oxidados, como el venenoso monóxido de carbono. Tal es el caso de los gases que desprenden los automóviles, que contienen entre el 1% y el 8% de dicho gas, lo que representa un peligro potencial en calles estrechas o garajes mal ventilados.

Cuando el aire utilizado en la combustión contiene mayor cantidad de oxígeno que la necesaria, el rendimiento disminuye, al utilizar parte de su calor para elevar la temperatura de una masa superior de aire que no contribuye en nada a la energía liberada.

EFECTOS AMBIENTALES

Uno de los efectos más importantes y, por desgracia, más comunes de la combustión es la contaminación del aire.

Esta contaminación consiste en la presencia en la atmósfera de una o varias sustancias en tales concentraciones que puedan originar riesgos, daños o molestias a las personas y al resto de seres vivos, perjuicios a los bienes o cambios de clima.

• Los óxidos de azufre, SO2 y SO3, son los agentes contaminantes más habituales en el aire. Proceden de la combustión de los combustibles utilizados en la industria y en la calefacción doméstica. El principal peligro que representan son las reacciones químicas a las que dan lugar en condiciones de humedad:

SO2 + H2O H2SO3

SO3 + H2O H2SO4

A fin de reducir las emisiones de óxidos de azufre, es preciso eliminar el azufre presente en los combustibles antes de proceder a su combustión. Si ya se ha producido ésta, hay que reducir en los gases de emisión los óxidos de azufre a azufre, el cual puede ser comercializado posteriormente.

Los óxidos de nitrógeno se encuentran entre los gases emitidos por los tubos de escape de los vehículos a motor. Se eliminan instalando un catalizador en el tubo de escape.

Al igual que los óxidos de azufre, los óxidos de nitrógeno reaccionan con el agua que existe en la atmósfera y dan lugar a dos

sustancias ácidas:

N2O5 + H2O HNO3

N2O3 + H2O HNO2

Todas estas sustancias ácidas forman lo que se ha denominado “lluvia ácida”, que destruye bosques, lagos de escasa profundidad y monumentos.

En la década de los 80 fue cuando la gente comenzó a darse cuenta de que los bosques de Europa, Escandinavia y Norteamérica enfermaban y morían marcados por la lluvia ácida. En todo el mundo, los ríos se contaminaban con los productos químicos de la industria. En áreas deltaicas situadas a bajo nivel, como Bangladesh, las inundaciones originadas por la deforestación del Himalaya, a miles de kilómetros al norte, provocaron la muerte de miles de personas y arrojaron de sus casas a decenas de miles de damnificados. En el Caribe y en el Pacífico, las tormentas que antes azotaban estas zonas cada cien años empezaron a causar destrozos cada dos o tres años.

• El dióxido de carbono se origina de la combustión de los compuestos orgánicos e incide en el recalentamiento de la atmósfera, fenómeno conocido como “efecto invernadero”.

Las plantas toman dióxido de carbono del aire mediante la fotosíntesis y los seres vivos lo expulsan a la atmósfera en la respiración. Durante millones de años, estos procesos han mantenido en equilibrio la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera.

Sin embargo, este equilibrio se ha roto, por la masiva emisión de dióxido de carbono procedente de las reacciones de combustión de los combustibles fósiles y porque en muchas zonas del planeta la vegetación ha sido destruida en los últimos años.

Este exceso de dióxido de carbono en la atmósfera actúa como una pantalla sobre la Tierra, que evita que la energía pueda escapar.

La luz visible que llega a la Tierra desde el Sol pierde energía al atravesar la atmósfera terrestre y se transforma en radiación infrarroja. El dióxido de carbono absorbe esta radiación, impidiendo que escape de nuevo al espacio. Este efecto (efecto invernadero) es el responsable de que el hielo de las zonas polares se funda y del aumento de la temperatura media del planeta.

GASES QUE CONTRIBUYEN AL EFECTO INVERNADERO

Notas: 1CFC sobre todo 2Partes por millón Datos de 2001

• Otros tipos de contaminación provocada por la combustión:

Monóxido de carbono - Es un gas incoloro, inodoro e insípido producido cuando el carbón, el petróleo o el gas arden con poco oxígeno. Reacciona con la hemoglobina de la sangre reemplazando al oxígeno impidiendo que llegue a las células, por consecuencia, es muy tóxico.

Sus principales efectos son:

Al ser su afinidad con la hemoglobina 250 veces mayor que la del oxígeno forma carboxihemoglobina, disminuyendo la cantidad de oxígeno que llega a los tejidos y actuando como agente asfixiante. Los efectos son más pronunciados e intensos en los fumadores y en las personas con problemas cardiacos. Los síntomas típicos son mareos, dolor de cabeza concentrado, náuseas, sonoridad en los oídos y latidos intensos del corazón. La exposición a altas concentraciones puede tener efectos graves permanentes y, en algunos casos, puede producir la muerte.

Hidrocarburos aromáticos - No todos los componentes de la gasolina se queman en los motores de los coches. Algunos hidrocarburos escapan a la atmósfera y producen daños en los seres vivos.

Partículas de la combustión - Incluyen una gama muy amplia de partículas químicas y físicas, incluyendo gotas de líquido. Afectan al funcionamiento de los pulmones. Las partículas más pequeñas (micrométricas) presentan el mayor riesgo, ya que son inhaladas más profundamente en los pulmones.

BIBLIOGRAFÍA

• Física y química 4º ESO. Ed. Oxford

• Década 1980-1990. Ed. Difusora Internacional

• Los temas y sus protagonistas 2001. Ed. Difusora Internacional

• www.atexport.com