Reacción de combustión

¿Qué es la combustión?

Las llamas que ves son el resultado visible de una reacción de combustión. Muchos de nosotros hemos apreciado la sensación de estar alrededor de una hoguera en una fría tarde de invierno — quizás tostando malvaviscos o tomando chocolate caliente—. De hecho, el fuego no es un recurso de ahora: ¡nuestros antepasados lo utilizaron desde hace más de un millón de años!

Las reacciones de combustión tienen múltiples usos en la vida cotidiana, gracias a la energía calorífica que liberan.

De hecho, es bastante difícil pensar en una parte de nuestra cotidianidad que no dependa de la combustión de un modo u otro.

Tipos de reacciones de combustión: Combustión del metano

Existen dos tipos diferentes de reacciones de combustión:

• Combustión completa.
• Combustión incompleta.

Estas reacciones varían en sus condiciones, productos y en las cantidades relativas de energía que liberan. Veamos.

Combustión completa

La combustión de cualquier hidrocarburo oxida sus átomos de carbono e hidrógeno, y produce dióxido de carbono y agua. Y, lo que es más importante: la combustión completa también libera mucha energía calorífica al medio ambiente.

La ecuación para la combustión completa del metano es la siguiente:

Observa el cambio negativo de entalpía. Esto demuestra que la reacción es exotérmica.

Combustión incompleta

Si el oxígeno es realmente limitado, los átomos de carbono no se oxidan en absoluto; en cambio, se liberan como carbono puro, en forma de hollín. Aunque sigue siendo exotérmica, la combustión incompleta es mucho menos eficiente que la completa y, por tanto, libera menos energía.

Observa las dos ecuaciones siguientes para la combustión incompleta del metano:

Ahora, compáralas con la ecuación que dimos antes para la combustión completa del metano:

• La combustión completa requiere más oxígeno que la incompleta. En este caso, la combustión completa necesita un mínimo de dos moles de oxígeno por cada mol de metano, mientras que la combustión incompleta solo necesita uno.
• La combustión completa libera más energía que la incompleta.

Ecuaciones de combustión

¿Listo para aprender a escribir ecuaciones de combustión? Vamos a intentarlo. Pero primero, una nota rápida:

A continuación, te explicamos cómo escribir y equilibrar las ecuaciones para la combustión (completa) de hidrocarburos:

1. Escribe una ecuación desequilibrada, recordando que los productos serán dióxido de carbono y agua. También debes recordar que las ecuaciones de combustión utilizan un solo mol de combustible, pero el número de moles de dióxido de carbono, agua y oxígeno puede variar.
2. Para equilibrar tu ecuación, céntrate primero en el carbono: cuenta el número de átomos de carbono de tu combustible y equilibra la ecuación, añadiendo moles adicionales de dióxido de carbono al lado derecho.
3. A continuación, fíjate en el hidrógeno: cuenta el número de átomos de hidrógeno de tu combustible y equilibra la ecuación añadiendo más moles de agua al lado derecho.
4. Por último, comprueba el oxígeno: cuenta el número de átomos de oxígeno que hay en el dióxido de carbono y en el agua, y equilibra la ecuación añadiendo más moles de oxígeno al lado izquierdo.

Escribe una ecuación para:

1. La combustión completa del propano.
2. La combustión incompleta del propano, que solo produce monóxido de carbono.
3. La combustión incompleta del propano, que genera un mol de monóxido de carbono y dos moles de carbono.

Empecemos por la parte 1:

En la ecuación desequilibrada, quemamos un mol de propano (C₃H₈) en una cantidad desconocida de oxígeno (O₂) para producir cantidades desconocidas de dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O):

El C₃H₈ contiene tres átomos de carbono. Por lo tanto, producimos tres moles de CO₂:

El C₃H₈ también contiene ocho átomos de hidrógeno. Obsérvese que cada molécula de H₂O contiene dos átomos de hidrógeno. Por lo tanto, producimos solo cuatro moles de H₂O:

Ahora, solo tenemos que equilibrar los átomos de oxígeno. Tenemosátomos de oxígeno de nuestros tres moles de CO₂, y átomos de oxígeno de nuestros cuatro moles de H₂O. Esto da diez átomos de oxígeno en total.

Una vez más, ten en cuenta que cada molécula de O₂ contiene dos átomos de oxígeno. Por tanto, necesitamos 5 moles de O₂. Esta es nuestra respuesta final para la parte 1 del problema :

En la parte 2:

Producimos monóxido de carbono (CO), en lugar de dióxido de carbono. De nuevo, generamos tres moles del producto basado en el carbono y cuatro moles de H₂O. Pero, esta vez solo producimosmás átomos de oxígeno, lo que nos da un total de siete.

Por lo tanto, únicamente necesitamosmoles de O₂:

En la parte 3:

Producimos solamente un mol de monóxido de carbono (CO) y dos moles de carbono puro (C). Esto nos da nuestros tres moles de productos basados en el carbono. De nuevo, también producimos cuatro moles de H₂O. En total, tenemos átomos de oxígeno, lo que equivale a cinco.

Por lo tanto, solo necesitamos moles de O₂:

Ejemplos de combustión: Gases de efecto invernadero e impacto ambiental

Como se ha mencionado al principio de este artículo, las reacciones de combustión desempeñan un gran papel en nuestras vidas. En particular, dependemos de combustibles hechos de hidrocarburos, como el carbón, el gas y los derivados del petróleo.

Sin embargo, la presión sobre los gobiernos, las empresas y los consumidores para que abandonen los hidrocarburos y se decanten por las fuentes de energía renovables no deja de aumentar. Esto se debe, en parte, a los productos de las reacciones de combustión de los hidrocarburos y a sus impactos ambientales negativos. Los analizaremos ahora.

Dióxido de carbono

Como hemos aprendido antes, la combustión completa de los hidrocarburos libera dióxido de carbono. El dióxido de carbono puede ser un problema por ser un potente gas de efecto invernadero.

Al atrapar el calor solar, los gases de efecto invernadero contribuyen al calentamiento global. Hay una tendencia clara: desde el inicio de la Revolución Industrial, cuando empezamos a quemar hidrocarburos a escala masiva (y así aumentamos rápidamente los niveles atmosféricos de partículas de dióxido de carbono), la temperatura media mundial se ha disparado. En la actualidad, nuestro planeta es aproximadamente 1,1 °C más cálido que en 1880, cuando comenzaron los registros de temperatura. El aumento de la temperatura ha ido acompañado de un número cada vez mayor de casos de clima extremo, pérdida de cosechas y extinción masiva. Por supuesto, la correlación entre el aumento de los niveles de CO₂ y la temperatura podría ser solo una enorme coincidencia, pero cada vez más, las pruebas dicen lo contrario.

Fig. 2: Un diagrama del efecto invernadero. Las partículas de gas de efecto invernadero atrapan la radiación solar reflejada por la Tierra y reemiten parte de ella hacia el planeta, en lugar de dejarla pasar al espacio exterior.

Monóxido de carbono y partículas de carbono

A diferencia de la combustión completa, la combustión incompleta no produce dióxido de carbono. En cambio, libera monóxido de carbono y carbono puro. No obstante, estos productos no son mucho mejores que su primo: el gas de efecto invernadero. Por ejemplo, el monóxido de carbono es muy tóxico para las personas y los animales. Además, es inodoro e incoloro, por lo que es difícil de detectar y, por tanto, aún más mortal. Las partículas de carbono del hollín, por su parte, pueden causar irritación respiratoria, ciertos tipos de cáncer y el oscurecimiento del planeta. ¡No querrás respirar ninguna de estas sustancias!

Dióxido de azufre

Por desgracia, los productos derivados del carbono y el agua no son los únicos productos de la combustión. Ello se debe a que nuestros combustibles suelen ser impuros; es decir, están plagados de contaminantes. Estas impurezas se devuelven a la atmósfera cuando se queman los combustibles. Una de estas impurezas comunes es el azufre, que se quema para producir dióxido de azufre. El dióxido de azufre reacciona entonces con el oxígeno y el agua del aire para formar la lluvia ácida, una sustancia corrosiva que daña edificios, estatuas, hábitats y vida vegetal.

Óxidos nitrosos

Otro contaminante producido en las reacciones de combustión es el óxido nitroso. Se forma porque algunos combustibles, como los utilizados en los motores de combustión, requieren altas temperaturas para arder con eficacia. Estas altas temperaturas hacen que el nitrógeno y el oxígeno del aire reaccionen para producir óxidos nitrosos. Al igual que el dióxido de azufre, los óxidos nitrosos pueden formar lluvia ácida, además de causar dificultades respiratorias y smog fotoquímico.

Limitar los impactos de la combustión

Calentamiento global, lluvia ácida, niebla tóxica... Después de ver los impactos negativos de la combustión de combustibles como los hidrocarburos, te preguntarás: ¿por qué no detenemos por completo estas reacciones de combustión? Pues bien, todo es cuestión de sopesar los pros y los contras. Los hidrocarburos no solo son abundantes y fáciles de conseguir, sino que además liberan mucha energía al quemarse. Por eso son tan buenos combustibles, y dejar de usarlos por completo no es una tarea fácil.

Sin embargo, los científicos se han esforzado por encontrar formas de reducir los efectos de la combustión de hidrocarburos en el medio ambiente. Entre ellas se encuentran:

• La desulfuración de los gases de combustión.
• Convertidores catalíticos.
• Alternativas de combustibles neutros en carbono.

Desulfuración de los gases de combustión

Al quemar combustibles fósiles, principalmente carbón, las centrales eléctricas producen enorme cantidades de gases de combustión. Esto se ha convertido en un problema ambiental de gran preocupación. Uno de estos gases de combustión es el dióxido de azufre, un gas incoloro, irritante, inflamable y altamente tóxico. Este dióxido de azufre se puede eliminar mediante el proceso de desulfuración, haciendo reaccionar los gases de combustión con óxido de calcio y agua, o con carbonato de calcio y oxígeno. Así se forma el yeso, que es un producto vendible que se utiliza para fabricar placas de yeso.

Por ejemplo:

Convertidores catalíticos

En 1993, se convirtió en ley que todos los coches nuevos del Reino Unido incluyeran convertidores catalíticos en sus tubos de escape. Esto se debe a que los convertidores catalíticos reducen las cantidades de monóxido de carbono, óxidos nitrosos e hidrocarburos no quemados en los gases de escape de los motores de combustión interna de los vehículos.

Así es como funcionan:

• Los catalizadores tienen forma de panal, para maximizar su superficie.
• Están recubiertos de metales de platino y rodio, que actúan como catalizadores. Estos metales están repartidos de manera muy fina para minimizar la cantidad necesaria.
• Cuando los gases de escape salen del motor, pasan por el catalizador y reaccionan para formar productos menos dañinos:
  • El monóxido de carbono (CO) reacciona con los óxidos nitrosos (NO_x) para producir nitrógeno (N₂) y dióxido de carbono (CO₂).
  • Los hidrocarburos no quemados (C_xH_y) reaccionan con los óxidos nitrosos para producir nitrógeno, dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O).

Alternativas neutras en carbono

Como ya sabes, la quema de combustibles fósiles, como el carbón y el gas, provoca un aumento neto de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera. Esto está muy relacionado con el calentamiento global. ¿Pero, qué pasaría si pudiéramos encontrar un combustible que no produjera ninguna emisión de carbono y que, por tanto, no calentara nuestro planeta? Pues bien, ¡estos combustibles existen!: son los que definimos como neutros en carbono.

Algunos ejemplos de combustibles neutros en carbono son los biocombustibles y los combustibles sintéticos:

• Los biocombustibles se fabrican a partir de la biomasa, como la caña de azúcar o la madera. Se cultivan rápidamente y todo el carbono que liberan en su combustión lo han absorbido durante su vida. Sin embargo, los fertilizantes, el agua y la tierra que se necesitan para producir biocombustibles pueden crear otros problemas, como la seguridad alimentaria, el monocultivo y la deforestación.
• Los combustibles sintéticos son hidrocarburos artificiales. Se fabrican a partir del dióxido de carbono capturado del aire y del hidrógeno producido en la electrólisis.