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Reacción de combustión

Reacción de combustión

Los alcanos son grandes combustibles. Un litro de gasolina contiene aproximadamente 33,6 megajulios (MJ) de energía y proporciona más de 8.000 calorías. Si se pudiera comer gasolina, esto sería suficiente para alimentar a un hombre medio durante más de tres días. Cuando se quema, toda la energía almacenada se libera al medio ambiente en forma de calor. Por eso quemamos alcanos como combustible para nuestros coches, aviones y otros motores; para calentar nuestras casas y para alimentar nuestros aparatos electrónicos.

  • Este artículo trata de las reacciones de combustión en química.
  • En particular, nos centraremos en la combustión de hidrocarburos como los alcanos.
  • Empezaremos definiendo la combustión antes de examinar la combustión completa e incompleta.
  • A continuación, practicaremos la escritura de ecuaciones de combustión.
  • Para terminar, estudiaremos el impacto medioambiental de la combustión. También aprenderemos cómo podemos limitar estos impactos con medidas como la sulfuración de los gases de combustión y los convertidores catalíticos.

¿Qué es la combustión?

Muchos de nosotros hemos apreciado la alegría 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 secreto: ¡nuestros antepasados lo utilizan desde hace más de un millón de años! Las llamas que ves son el resultado visible de una reacción de combustión.

La combustión es una reacción que consiste en quemar un combustible, como el carbón, el gas o la gasolina, normalmente con oxígeno. Es exotérmica, lo que significa que libera mucha energía al medio ambiente en forma de calor.

Las reacciones de combustión tienen múltiples usos en la vida cotidiana, gracias a la energía calorífica que liberan. Por ejemplo, utilizamos las reacciones de combustión para:

  • Calentar nuestras casas.
  • Cocinar nuestros alimentos.
  • Alimentar nuestros aparatos.
  • Hacer funcionar nuestras fábricas y centrales eléctricas.
  • Producir electricidad.

De hecho, es bastante difícil pensar en una parte de nuestra existencia moderna 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.

Varían en sus condiciones, productos y en las cantidades relativas de energía que liberan. Veamos brevemente.

Combustión completa

En la combustión completa, un combustible se quema con exceso de oxígeno. Normalmente, utilizamos hidrocarburos como combustible. La combustión de cualquier hidrocarburo oxida sus átomos de carbono e hidrógeno, produciendo 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:

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

No te preocupes, dentro de un momento veremos cómo se escriben las ecuaciones de la combustión. Antes de hacerlo, asegúrate de consultar Cambios de entalpía si no estás muy seguro de lo que queremos decir con reacciones exotérmicas.

Combustión incompleta

En la combustión incompleta, el combustible se quema con poco oxígeno. Esto significa que no hay suficiente oxígeno para oxidar completamente todos los átomos de carbono del combustible en dióxido de carbono. En su lugar, se oxidan parcialmente en monóxido de carbono. Si el oxígeno es realmente limitado, los átomos de carbono no se oxidan en absoluto, sino que 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:

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.

Ten en cuenta que la combustión suele liberar una mezcla de los tres productos del carbono: CO2, CO y C. Sin embargo, podemos favorecer un producto u otro controlando la cantidad de oxígeno presente al quemar el combustible.

¿Quieres ver la combustión completa e incompleta en acción? Basta con mirar hacia una pieza común de los aparatos químicos: el mechero Bunsen.

Cuando trabajes con un mechero Bunsen en el laboratorio, sabrás que al cerrar el orificio de aire se produce la llama de seguridad. Esta llama es de color naranja-amarillo. Por otro lado, al abrir el orificio de aire se produce una llama azul. La llama de seguridad se llama así porque es mucho más fácil de ver que la llama azul, y también es mucho menos caliente. Esto se debe a que el oxígeno es limitado, por lo que el combustible arde en una reacción de combustión incompleta. Si se utiliza la llama de seguridad, el fondo de los vasos de precipitados que se mantienen sobre el mechero Bunsen se vuelve negro y con hollín debido a las partículas de carbono que se forman, por lo que la llama de seguridad recibe a veces el apodo de llama "sucia". En cambio, la llama azul utiliza la combustión completa. Libera mucha más energía al arder, lo que da como resultado una llama más limpia, caliente y peligrosa.

Ecuaciones de combustión

¿Listo para aprender a escribir ecuaciones de combustión? Vamos a intentarlo. Pero primero, una nota rápida: a lo largo de tu carrera o en tu escuela, probablemente te habrán dicho que siempre escribas ecuaciones con números enteros. Las ecuaciones de combustión son una excepción a esta regla. Aquí, reaccionar con medio mol de moléculas de oxígeno es perfectamente aceptable.

¿Cómo es posible que nos salgamos con la suya con la mitad de un mol de oxígeno? Pues porque se considera estándar escribir las reacciones de combustión utilizando un mol del combustible. Esto se debe a la definición de cambio de entalpía estándar de la combustión, que considera el cambio de entalpía cuando se quema un mol de una sustancia con exceso de oxígeno en condiciones estándar. No te preocupes si no has oído este término antes: tenemos un artículo completo dedicado a las entalpías estándar en Cambios de entalpía.

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.

La escritura de ecuaciones para la combustión incompleta sigue un proceso similar. Sin embargo, debes recordar que produces monóxido de carbono (o carbono puro) en lugar de dióxido de carbono. Como resultado, necesitarás menos moles de oxígeno. Sin embargo, seguirás necesitando el mismo número de moles del producto a base de carbono y el mismo número de moles de agua.

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, produciendo un mol de monóxido de carbono y dos moles de carbono.

Empecemos por la parte a. 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. Tenemos átomos 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:

En la parte b, producimos monóxido de carbono (CO) en lugar de dióxido de carbono. De nuevo, producimos tres moles del producto basado en el carbono y cuatro moles de H2O. Pero esta vez, solo producimos más átomos de oxígeno, lo que nos da un total de siete. Por lo tanto, únicamente necesitamosmoles de O2:

En la parte c, 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. Por ejemplo, su coche probablemente funcione con gasolina o gasóleo, ambos derivados del crudo, y su casa puede calentarse con una caldera de gas. 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.

Un gas de efecto invernadero es un gas que atrapa la radiación solar reflejada por la Tierra, en lugar de dejarla pasar por la atmósfera y devolverla al espacio exterior.

Al atrapar el calor solar, los gases de efecto invernadero calientan el planeta y 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 las pruebas dicen cada vez más lo contrario.

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. 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. También causan 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, por lo que 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, lo cuál 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 (NOx) para producir nitrógeno (N2) y dióxido de carbono (CO2).
    • Los hidrocarburos no quemados (CxHy) reaccionan con los óxidos nitrosos para producir nitrógeno, dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

Las reacciones exactas dependen de los tipos de óxidos nitrosos e hidrocarburos no quemados presentes en los gases de combustión. He aquí algunos ejemplos de ecuaciones químicas equilibradas:

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 en general y que, por tanto, no calentara nuestro planeta? Pues bien, ¡estos combustibles existen! Decimos que son neutros en carbono.

Las sustancias neutras en carbono son aquellas que no producen ninguna emisión neta de dióxido de carbono durante su vida. Todo el dióxido de carbono que liberan se compensa con el dióxido de carbono que absorben en diferentes momentos de su vida.

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.

La captura de carbono es todavía una industria relativamente pequeña, pero está creciendo rápidamente a medida que mejoran las técnicas. Por ejemplo, la empresa suiza Climeworks captura directamente el carbono del aire mediante filtros especiales y lo almacena en las profundidades del suelo o lo recicla en combustibles.

Reacción de combustión - Puntos Claves

  • La combustión es una reacción exotérmica que consiste en quemar un combustible, como el carbón, el gas o la gasolina, normalmente con oxígeno.
  • La combustión puede ser completa o incompleta.
    • La combustión completa tiene lugar en exceso de oxígeno y produce dióxido de carbono y agua. Libera más energía que la combustión incompleta.
    • La combustión incompleta tiene lugar con poco oxígeno y produce monóxido de carbono, carbón y agua. Libera menos energía que la combustión completa.
  • La combustión de los combustibles de hidrocarburos, como el carbón, el gas y la gasolina, tiene varios efectos ambientales negativos.
  • Para reducir el impacto medioambiental de las reacciones de combustión, podemos llevar a cabo la desulfuración de los gases de combustión, instalar convertidores catalíticos y cambiar a combustibles neutros en carbono.

Referencias

Direct air capture: a technology to remove CO₂. Climeworks

K Kris Hirst, 'The Discovery of Fire'. ThoughtCo (03/05/2019)

World of Change: Global Temperature. NASA Earth Observatory

FAQS

¿Cómo se produce la combustión?

La combustión se produce a partir de una reacción química exotérmica que oxida los elementos combustibles. El comburente, es decir, el oxígeno, reacciona con el combustible (generalmente formado por carbono, hidrógeno y hasta azufre) para producir una serie de productos que liberan calor y energía.

¿Cuáles son los tipos de combustión?

Existen dos tipos diferentes de reacciones de combustión:

  • Combustión completa.
  • Combustión incompleta.

¿Qué es la combustión y un ejemplo?

La combustión es una reacción que consiste en quemar un combustible, como el carbón, el gas o la gasolina, normalmente con oxígeno.

Por ejemplo, utilizamos las reacciones de combustión para:

  • Calentar nuestras casas.
  • Cocinar nuestros alimentos.
  • Alimentar nuestros aparatos.
  • Hacer funcionar nuestras fábricas y centrales eléctricas.
  • Producir electricidad.

¿Cuáles son las propiedades de combustión?

Las propiedades de combustión son:

  • Volumen estequiométrico de aire (Va)
  • Volumen de Humos Húmedos (Vhh)
  • Volumen de humos secos (Vhs)
  • Porcentaje máximo de CO2
  • Temperatura de rocío (TR)
  • Temperatura adiabática de llama (Tad)
  • Velocidad de deflagración laminar (VL)
  • Mínima energía de ignición (EMI)

¿Cuáles son los elementos que intervienen en la combustión?

La combustión se produce cuando coinciden los siguientes factores:

  • El combustible: es decir, los materiales que se queman, como carbón, madera, plástico.
  • El oxidante: también conocido como comburente, que es la sustancia que provoca la combustión, en este caso el oxígeno.

Cuestionario final de Reacción de combustión

Pregunta

Indica las desventajas de la combustión incompleta.

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Answer

  • La combustión incompleta libera menos energía que la combustión completa.
  • Produce monóxido de carbono, que es un gas tóxico.
  • También produce partículas de carbono, que causan oscurecimiento global e irritación respiratoria.

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Pregunta

¿Qué es la combustión?

Mostrar respuesta

Answer

La combustión es una reacción exotérmica que consiste en quemar un combustible, como el carbón, el gas o la gasolina, normalmente con oxígeno.


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Pregunta

Compara la combustión completa e incompleta.

Mostrar respuesta

Answer

  • Ambas producen agua y dióxido de carbono.
  • Ambas son reacciones exotérmicas.
  • La combustión completa tiene lugar con un exceso de oxígeno.
  • La combustión incompleta tiene lugar con un oxígeno limitado.
  • La combustión completa libera más energía que la incompleta.

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Pregunta

¿Cuáles son los productos de la combustión completa?

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Answer

Agua.

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Pregunta

Indica los dos productos derivados del carbono que pueden producirse en una combustión incompleta.

Mostrar respuesta

Answer

Partículas de carbono.

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Pregunta

¿Por qué el uso de la llama de seguridad de un mechero Bunsen provoca depósitos de hollín?

Mostrar respuesta

Answer

El uso de la llama de seguridad favorece una combustión incompleta. Uno de los productos es el carbono, que se acumula en forma de hollín.

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Pregunta

Nombra cuatro contaminantes producidos en la combustión.

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Answer

  • Dióxido de azufre.
  • Óxidos nitrosos.
  • Monóxido de carbono.
  • Dióxido de carbono.

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Pregunta

Los combustibles de hidrocarburos pueden contener impurezas de azufre. ¿Cuáles son los efectos negativos de estas impurezas?

Mostrar respuesta

Answer

El azufre se quema para formar dióxido de azufre el cual puede causar, entre otros, lluvia ácida y dificultades respiratorias.

Show question

Pregunta

Señala los pros y los contras de los biocombustibles

Mostrar respuesta

Answer

  • Son económicos, fáciles de cultivar y no emiten carbono.
  • Su combustión es relativamente ineficiente.
  • Ocupan un valioso espacio de las áreas de cultivo que podría destinarse a la producción de alimentos. 
  • Pueden requerir un procesamiento antes de su uso, lo que consume energía, También pueden ser grandes y voluminosos de transportar.

Show question

Pregunta

¿Cómo se forman los óxidos nitrosos en las reacciones de combustión?

Mostrar respuesta

Answer

Las temperaturas dentro de los motores de combustión interna son tan altas que el oxígeno y el nitrógeno del aire reaccionan para producir óxidos nitrosos.

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Pregunta

¿Cuáles son los efectos negativos de los óxidos nitrosos liberados en las reacciones de combustión?

Mostrar respuesta

Answer

  • Provocan la acidificación de la lluvia.
  • Contribuyen al smog fotoquímico.
  • Provocan dificultades respiratorias.

Show question

Pregunta

Menciona ejemplos en los que utilicemos las reacciones de combustión.

Mostrar respuesta

Answer

  • Calentar nuestras casas.
  • Cocinar nuestros alimentos.
  • Alimentar nuestros aparatos.
  • Hacer funcionar nuestras fábricas y centrales eléctricas.
  • Producir electricidad.

Show question

Pregunta

¿Cuáles son los tipos de reacciones de combustión que existen? 

Mostrar respuesta

Answer

Existen dos tipos diferentes de reacciones de combustión:

  • Combustión completa: en la que un combustible se quema con exceso de oxígeno.
  • Combustión incompleta: en la que el combustible se quema con poco oxígeno.

Show question

Pregunta

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 ______.

Mostrar respuesta

Answer

Desulfuración.

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