Reacciones de combustión

En la cocina a gas de la casa de Lucía el butano reacciona con el oxígeno del aire mientras se calienta la cena. Completá el esquema general de una combustión completa con las palabras que faltan: «En toda combustión completa, un $\dots$ reacciona con el $\dots$ del aire y se forman $\dots$ y $\dots$».

Indicá cuáles de estas ecuaciones corresponden a una combustión completa y explicá por qué:

1. a) $CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow CO_2 + 2\ H_2O$
2. b) $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$
3. c) $C + O_2 \rightarrow CO_2$
4. d) $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

Al terminar un asado, Jorge cubre las brasas con arena y el fuego se apaga. El esquema de la combustión se puede representar así:

Explicá, usando el esquema de la combustión, qué «ingrediente» de la reacción falta al cubrir las brasas y por qué el fuego no puede continuar.

El metano ($CH_4$) es el gas natural que llega a muchas cocinas. Escribí la ecuación de su combustión completa (los productos son dióxido de carbono y agua) y ajustala.

El propano ($C_3H_8$) es el combustible de muchas estufas portátiles y casas rodantes. Escribí y ajustá la ecuación de su combustión completa.

Un compañero escribió en su cuaderno la combustión completa del etano ($C_2H_6$) así: $2\ C_2H_6 + 7\ O_2 \rightarrow 4\ CO_2 + 6\ H_2O$. Contá los átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno a cada lado de la flecha y comprobá si la ecuación está bien ajustada. Justificá tu respuesta.

El butano ($C_4H_{10}$) de las garrafas naranjas arde con oxígeno formando dióxido de carbono y agua. Escribí la ecuación y ajustala; te va a aparecer un coeficiente fraccionario en el oxígeno que vas a tener que eliminar multiplicando toda la ecuación por dos.

Las chimeneas de bioetanol queman etanol ($C_2H_6O$) produciendo dióxido de carbono y agua. Escribí y ajustá la ecuación de su combustión completa. Pista: tené en cuenta que la propia molécula de etanol ya lleva un átomo de oxígeno.

Cuando corrés, tus músculos «queman» glucosa ($C_6H_{12}O_6$) con el oxígeno que respirás, y se forman dióxido de carbono y agua. Es la respiración celular, una combustión lenta dentro de tus células. Escribí y ajustá la ecuación de esa reacción.

En el laboratorio, la llama del mechero Bunsen es azul cuando la entrada de aire está abierta y amarilla y luminosa cuando está cerrada, como se muestra en la figura.

Una de esas dos llamas mancha de hollín los tubos de ensayo. Decí cuál de las dos lo mancha y explicá qué tipo de combustión (completa o incompleta) tiene lugar en cada caso.

Cuando un calefón a gas funciona en una habitación mal ventilada, la combustión del butano se vuelve incompleta. Nombrá las dos sustancias que pueden formarse entonces en lugar de dióxido de carbono y explicá por qué una de ellas es especialmente peligrosa para las personas que están en la habitación.

Un calefón a gas mal ventilado quema metano ($CH_4$) con poco oxígeno y, en lugar de dióxido de carbono, se forma monóxido de carbono ($CO$), además de agua. Escribí y ajustá la ecuación de esa combustión incompleta del metano.

El hollín que se acumula en las chimeneas es carbono que no ha llegado a arder del todo.

1. a) Escribí la ecuación ajustada de la combustión completa del carbono, que forma dióxido de carbono.
2. b) Escribí la ecuación ajustada de su combustión incompleta cuando se forma monóxido de carbono.
3. c) Compará el oxígeno que consume cada una por cada $2$ átomos de carbono y explicá por qué el hollín y el $CO$ aparecen cuando el aire escasea.

El metano puede arder de dos maneras según el oxígeno disponible.

1. a) Escribí las ecuaciones ajustadas de su combustión completa (productos $CO_2$ y $H_2O$) y de su combustión incompleta cuando se forma monóxido de carbono ($CO$) y agua.
2. b) Calculá cuántos moles de $O_2$ consume cada una por cada $2\ \text{mol}$ de metano.
3. c) Usando esos números, explicá por qué una cocina a gas encendida mucho rato en una habitación pequeña y sin ventilar puede terminar produciendo monóxido de carbono.

La ecuación balanceada de la combustión del propano es $C_3H_8 + 5\ O_2 \rightarrow 3\ CO_2 + 4\ H_2O$.

1. a) ¿Cuántas moléculas de oxígeno se necesitan para quemar una molécula de propano?
2. b) ¿Cuántos moles de oxígeno hacen falta para quemar $0,4\ \text{mol}$ de propano?
3. c) ¿Cuántos moles de dióxido de carbono se formarán en ese caso?

El carbón de un asado a la parrilla es casi carbono puro y su combustión completa es $C + O_2 \rightarrow CO_2$.

1. a) ¿Cuántos moles de dióxido de carbono se forman al quemar $3\ \text{mol}$ de carbono?
2. b) Las masas molares del carbono y del dióxido de carbono son $12\ \text{g/mol}$ y $44\ \text{g/mol}$, respectivamente. Calculá cuántos gramos de $CO_2$ se emiten al quemar $36\ \text{g}$ de carbón.

Una garrafa de camping gas contiene $5,8\ \text{kg}$ de butano ($C_4H_{10}$, masa molar $58\ \text{g/mol}$) y su combustión completa es $2\ C_4H_{10} + 13\ O_2 \rightarrow 8\ CO_2 + 10\ H_2O$.

1. a) Calculá los moles de butano que contiene la garrafa.
2. b) Calculá los moles de $CO_2$ que se emitirán al quemarla entera.
3. c) Con la masa molar del $CO_2$, $44\ \text{g/mol}$, calculá los kilogramos de $CO_2$ emitidos y comentá por qué esas emisiones preocupan aunque la combustión sea completa.

Una chimenea de bioetanol quema $92\ \text{g}$ de etanol ($C_2H_6O$, masa molar $46\ \text{g/mol}$) en una velada.

1. a) Escribí y ajustá la ecuación de su combustión completa.
2. b) Calculá los moles de etanol quemados y los moles de oxígeno consumidos.
3. c) Con la masa molar del $O_2$, $32\ \text{g/mol}$, calculá la masa de oxígeno que se consumió en la sala y comentá por qué el fabricante recomienda ventilar el ambiente.

Un auto a nafta emite de media $120\ \text{g}$ de $CO_2$ por kilómetro y otro diésel, $105\ \text{g}$ por kilómetro.

1. a) Calculá las emisiones de cada uno en un viaje de $250\ \text{km}$.
2. b) El auto a nafta hace ese viaje con $4$ pasajeros y el diésel, otro día, con el conductor solo. Calculá las emisiones por pasajero en cada caso y comentá el resultado.

El catalizador de un auto transforma parte de los gases tóxicos del caño de escape en otros menos dañinos antes de soltarlos al aire, como se muestra en el esquema.

Una de esas reacciones es $2\ CO + O_2 \rightarrow 2\ CO_2$.

1. a) Explicá qué le ocurre al monóxido de carbono en esta reacción y por qué mejora la calidad del aire de la ciudad.
2. b) A pesar de ello, el $CO_2$ que sale del escape sigue siendo un problema: explicá cuál.
3. c) Otra reacción del catalizador es $2\ NO \rightarrow N_2 + O_2$. Comprobá que está ajustada y razoná por qué es beneficiosa para el aire que respiramos.

Para averiguar qué productos forma la llama de una vela, se hacen pasar sus gases por un tubo con sulfato de cobre anhidro, que es blanco, y después se burbujean en agua de cal (hidróxido de calcio disuelto), como se muestra en la figura.

Se observa que el sulfato de cobre se vuelve azul y que el agua de cal se enturbia.

1. a) ¿Qué producto de la combustión pone de manifiesto cada uno de los dos cambios observados?
2. b) El enturbiamiento se debe a la reacción $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O$, que forma un precipitado blanco de carbonato de calcio. Comprobá que la ecuación está ajustada.
3. c) ¿Qué podés concluir sobre qué elementos contiene la cera de la vela? Razoná la respuesta.

El carbón de algunas centrales térmicas contiene azufre como impureza.

1. a) Escribí y ajustá la ecuación de la combustión del azufre, en la que se forma dióxido de azufre ($SO_2$).
2. b) En la atmósfera, el $SO_2$ reacciona con el agua de las nubes y forma ácido sulfuroso ($H_2SO_3$): escribí y ajustá esa reacción.
3. c) Relacioná estos hechos con el fenómeno de la lluvia ácida y explicá por qué muchas centrales instalan «desulfuradoras» en sus chimeneas.

Cohetes como el Ariane usan hidrógeno líquido como combustible, que arde así: $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$.

1. a) ¿Por qué se dice que el hidrógeno es un combustible «limpio» en el momento de la combustión?
2. b) Calculá cuántos moles de agua se forman al quemar $5\ \text{mol}$ de hidrógeno.
3. c) Hoy la mayor parte del hidrógeno se fabrica a partir de gas natural, en un proceso que emite $CO_2$ (hidrógeno «gris»), pero también puede fabricarse por electrólisis del agua con electricidad renovable (hidrógeno «verde»). Explicá con qué criterio se distingue un hidrógeno de otro y por qué solo uno de ellos ayuda de verdad contra el cambio climático.

Dos combustibles muy usados son el carbón (casi carbono puro) y el gas natural (casi metano puro).

1. a) Escribí ajustadas las combustiones completas del carbono y del metano.
2. b) Compará cuántos moles de $CO_2$ emite cada uno por cada mol de combustible quemado.
3. c) Sabiendo además que quemar $1\ \text{mol}$ de metano desprende bastante más energía que quemar $1\ \text{mol}$ de carbono, razoná por qué sustituir carbón por gas natural en una central reduce las emisiones de $CO_2$ por cada kilovatio-hora producido.