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 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 calentar nuestras casas, para alimentar nuestros aparatos electrónicos y para poner a funcionar nuestros coches, aviones y otros motores.

• 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 limitar estos impactos con medidas como la sulfuración de los gases de combustión y los convertidores catalíticos.

¿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:

${\mathrm{CH}}_4\left(\mathrm{g}\right)+2{\mathrm{O}}_2\left(\mathrm{g}\right)\to {\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{g}\right)+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{g}\right)\mathrm{\Delta H}°=-802.3\mathrm{kJ}{\mathrm{mol}}^{-1}$

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:

$$\begin{gathered} {\mathrm{CH}}_4\left(\mathrm{g}\right)+\frac{3}{2}{\mathrm{O}}_2\left(\mathrm{g}\right)\to \mathrm{CO}\left(\mathrm{g}\right)+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{g}\right)\mathrm{\Delta H}°=-519.3\mathrm{kJ}{\mathrm{mol}}^{-1} \\ {\mathrm{CH}}_4\left(\mathrm{g}\right)+{\mathrm{O}}_2\left(\mathrm{g}\right)\to \mathrm{C}\left(\mathrm{s}\right)+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{g}\right)\mathrm{\Delta H}°=-408.8\mathrm{kJ}{\mathrm{mol}}^{-1} \end{gathered}$$

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.

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.

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:${\mathrm{CaCO}}_3\left(\mathrm{s}\right)+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2\left(\mathrm{g}\right)+{\mathrm{SO}}_2\left(\mathrm{g}\right)\to {\mathrm{CaSO}}_4\left(\mathrm{s}\right)+{\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{g}\right)$

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.