COMBUSTION

ABSTRACT:

Combustion is a chemical reaction in which usually shows a lot of heat and light. However, the phenomenon can manifest itself in a very slow and not accompanied by a temperature increase that we can perceive. An example is the oxidation of iron in moist air; this phenomenon is known as eremacausia or smoldering.

The work presented below contain information related to the "burning" which is of great importance since it is one of the most common chemical reactions such as oxidation is also important that this type of process arising light energy and heat.

KEY WORDS: Combustion, chemical reaction, oxidation, phenomenon, phlogiston.

INTRODUCCION

TEORÍA DE COMBUSTIÓN

Desde el principio de los tiempos, la combustión ha estado con nosotros, pero sólo recién en los tiempos de Aristóteles se le ha observado con seriedad. Éste definió que el fuego era uno de los cuatro compuestos que componían toda la materia. Después de esta explicación debieron pasar siglos hasta que alguien, para ser más preciso, el médico Ernest Stahl, intentara explicar la naturaleza de la combustión mediante un método serio.

TEORÍA DEL FLOGISTO

Algunos historiadores afirman que la teoría del flogisto puede considerase como la primera gran teoría de la química moderna. A principios del siglo XVIII, el médico Georg Ernest Stahl (1660-1734) siguiendo las ideas de su maestro J.J.Becher (1635-1682), propuso una explicación conjunta de la calcinación de los metales, la combustión de los cuerpos combustibles y la respiración de los animales, basada en la existencia de un "principio de la combustibilidad" que denominó "flogisto". De acuerdo con sus ideas, los metales estaban formados por flogisto y la cal correspondiente, de modo que, cuando se calcinaban, el flogisto se desprendía y dejaba libre la cal. Del mismo modo, para obtener el metal a partir de la cal, era necesario añadirle flogisto, el cual podía obtenerse a partir de una sustancia rica en este principio, como el carbón, por ejemplo.

COMBUSTIÓN

El oxígeno tiene la capacidad de combinarse con diversos elementos para producir óxidos. Por ende, oxidación es la combinación del oxígeno con otra sustancia. Existen oxidaciones que son sumamente lentas, como por ejemplo la del hierro. Cuando la oxidación es rápida se llama combustión.

Pues bien, la combustión se refiere a las reacciones químicas que se establecen entre cualquier compuesto y el oxígeno. A esto también se le llama reacciones de oxidación. De este tipo de proceso se desprenden energía lumínica y calórica y se llevan a cabo rápidamente.

Cabe destacar que los organismos vivientes, para producir energía, utilizan una combustión controlada de los azúcares. El material que arde, como el keroseno y el alcohol, es el combustible y el que hacer arder, como el oxígeno, se llama comburente.

Ignición es el valor de temperatura que debe presentar el sistema fisicoquímico para que se pueda dar la combustión de manera natural.

El proceso termina cuando se consigue el equilibrio entre la energía de los compuestos que reaccionan y la de los productos de la reacción. Con el punto de ignición se alcanza la temperatura de inflamación, activado por la energía de una chispa o por la llama de un fósforo.

Triángulo de la combustión. Si uno de los tres factores se elimina, el fuego se extingue.

Son el carbono y el hidrógeno (hidrocarburos) elementos que entran en combustión más fácilmente. El heptano, propano y el metano -entre otros- son sustancias que se utilizan como combustibles, es decir, como fuentes de calor proporcionados por la combustión.

En síntesis, la combustión se produce cuando convergen los siguientes factores:

El combustible, es decir, el material que arde (gas, alcohol, carbón, madera, plástico). El comburente, el material que hacer arder (oxígeno). La temperatura de inflamación, la temperatura más baja a la cual el material inicia la

combustión para seguir ardiendo. Cuando una sustancia se quema (arde) se produce un fenómeno llamado combustión. La combustión es un proceso de transformación de la materia que se inicia con un

aporte de energía y que, en presencia de oxígeno, da lugar a la formación de nuevas sustancias y a la liberación de energía en forma de calor y luz.

Cuando se quema un papel, el aporte de energía lo proporciona la llama; la reacción ocurre en presencia del aire, el cual contiene oxígeno.

Al producirse la reacción química entre el combustible, en este caso el papel (el que arde) y el comburente, oxígeno (el que hace arder) se obtienen como productos de la reacción química, en general, CO2, H2O y cenizas que corresponden al residuo mineral del papel.

La masa inicial del papel se transformó entonces en cenizas y gases que fueron liberados a la atmósfera. Además, se produce calor y luz.

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.

CLASES DE COMBUSTIÓN

Combustión completa

Como se menciono anteriormente, en la combustión completase queman las sustancias combustibles del combustible hasta el máximo grado posible de oxidación. En este tipo de reacción no se encontraran sustancias combustibles en los humos o gases de combustión.

Las reacciones químicas que se utilizan en el estudio de las combustiones técnicas tanto si se emplea aire u oxigeno, son muy sencillas y las principales son:

C + O2 -----------------CO2

CO + ½ O2 ------------CO2

H2 + ½ O2 -------------H2O

S + O2 -----------------SO2

SH2 + 3/2 O2 ---------SO2 + H2O

Estas reacciones corresponden a reacciones completas de sustancias que pueden pertenecer a un combustible gaseoso, líquido o sólido y se expresan para 1 mol o 1 Kmol de sustancia combustible.

También es muy común realizar otros cálculos estequiométricos definiendo distintas relaciones a saber:

Composición de humos secos

Composición de humos húmedos

Kg de aire / Kg de combustible

Kmol de aire / Kmol de combustible

Kg de humos secos / Kg de combustible

Kg de humos húmedos / Kg de combustible

Todas estas relaciones se utilizan para efectuar un balance másico completo de una reacción de combustión.

Combustión incompleta

Este tipo de reacción se caracteriza por la presencia de sustancias combustibles o también llamados inquemados en los humos o gases de combustión. Estas sustancias generalmente son carbono como hollín, CO, H2 y también pueden aparecer pequeñas cantidades de los hidrocarburos que se utilizan como combustibles.

En el caso de la reacción de combustión en la que se produce únicamente CO en los gases de combustión, se conoce con el nombre de Combustión de Ostwald y la reacción que produce CO y H2 se conoce como Combustión de Kissel.

Estas denominaciones derivan del uso de los diagramas de estos autores utilizados para determinar las respectivas reacciones de combustión, siendo evidente que la reacción de Ostwald es un caso particular de la reacción de Kissel.

En la práctica se debe tener especial cuidado en los ambientes en que se puedan desarrollar este tipo de reacciones. Un caso práctico y muy conocido es la combustión incompleta de un motor de un automóvil, un brasero, un calefón o un calefactor domiciliario sin tiro balanceado. Dada la generación de CO o monóxido de carbono en este tipo de reacciones, que se presenta como un gas imperceptible al olfato, se debe tener especial cuidado en la ventilación de los ambientes donde ocurran, ya que el CO es un elemento nocivo para el cuerpo humano y puede producir la muerte, debido al bloqueo del transporte de oxígeno, generado por la molécula de hemoglobina, una proteína compleja presente en la sangre, donde el CO ejerce un efecto competitivo con el O2, produciendo la carboxihemoglobina e impidiendo la transferencia y el transporte de oxígeno en el cuerpo, produciéndose la muerte debido a una anoxia cerebral.

Deflagración

Una deflagración es una combustión súbita con llama a baja velocidad de propagación, sin explosión. Se suele asociar, erróneamente, con las explosiones, usándose a menudo como sinónimo.

Las reacciones que provoca una deflagración son idénticas a las de una combustión, pero se desarrollan a una velocidad comprendida entre 1m/s y la velocidad del sonido.

En una deflagración, el frente de llama avanza por fenómenos de difusión térmica. Por el contrario, en una detonación la combustión está asociada a una onda de choque que avanza a velocidad superior a la del sonido.

Para que se produzca una deflagración se necesita:

1. Una mezcla de producto inflamable con el aire, en su punto de inflamacion.

2. Una aportación de energía de un foco de ignición.

3. Una reacción espontánea de sus partículas volátiles al estimulo calórico que actúa como catalizador o iniciador primario de reacción.

Típicos ejemplos de deflagración son:

la combustión de mezclas de gas y aire en una estufa u horno de gas

la mezcla de combustible-aire en un motor de combustión interna

la rápida combustión de una carga de pólvora en una arma de fuego

las mezclas pirotécnicas en los fuegos artificiales o en los dispositivos o cartuchos de fragmentación de roca segura.

Detonación

Una detonación es un proceso de combustión supersónica que implica onda expansiva y zona de reacción detrás de ella. A diferencia de la deflagración, combustión subsónica.

Una detonación es un drástico proceso de transformación de la energía que contiene un material, casi siempre de naturaleza química, que se intercambia a elevadas velocidades con el medio adyacente. Así, para medir el poder detonante de un material con propiedades explosivas, se utiliza la definición de "poder detonante" y se expresa en metros por segundo, dadas las características particulares del material químico en cuestión.

La detonación en sí, considerando la idea de un dispositivo detonador, es un rápido microcambio (prácticamente instantáneo), que inyecta en el material que se pretende detonar, una cierta cantidad de energía que a éste le es imposible de acumular, almacenar, o disipar por algún otro medio. Esto hace que en el material sometido se produzca una reacción critica, principalmente en la que su estructura molecular experimenta una drástica pérdida de su geometría estructural o deformación física. De ahí que una parte de la base científica del poder

detonante esté relacionada con la geometría del contenedor, es decir, los materiales químicos pueden poseer capacidad detonante por naturaleza, pero si ésta no es "reducida" convenientemente, este poder sólo representa una mínima fracción del exponente del poder energético total.

REACCIONES DE COMBUSTIÓN

Teórica

La reacción teórica para una combustión completa, convirtiéndose todo el C a CO2 y el H2 a H2O, utilizando aire como comburente es del tipo:

C8 H18 + aire ----------------- CO2 + H2O

C8 H18 + a (O2 + 3,76 N2) ---------------- b CO2 + c H2O + d N2

Siendo la ecuación química estequiométrica balanceada

C 8 H 18 + 12,5 (O2 + 3,76 N2) --------------- 8 CO2 + 9 H2O + 47 N2

Reacción real genérica

a [ Cu Hv Ow Nx Sy ] + b [O2] + 3,76 b [N2] + c [humedad] + d [impurezas] → e [CO2] + f [H2O] + g [O2] + h [H2] + i [CO] + j [SO2] + k [NO] + l [NO2] + m [cenizas] + a [PCI]

Donde

[Cu Hv Ow Nx Sy ] es un mol de materia combustible (compuesto o mezcla) donde suele tomarse a=1 (por mol de combustible) o bien e + f + g + h + i + j + k + l = 1 (por mol de producto gaseoso)

Esta reacción representa una reacción real que se produce en un reactor de combustión teniendo en cuenta todas las variables que se presentaran inclusive la humedad, impurezas y cenizas.

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

TIPO DE GAS CONCENTRACIÓN ACTUALCONTRIBUCIÓN EN ºC

Vapor de agua Entre 0 y 4% 20.6

Dióxido de carbono 360 ppm2 7.2

Ozono 0.03 ppm 2.4

Óxido de nitrógeno 0.3 ppm 1.4

Metano 1.7 ppm 0.8

Otros1 ± 2 ppm 0.6