Reacciones de combustión
El fogón de gas de la cocina, el motor de un carro y una planta térmica hacen lo mismo: queman un combustible con el oxígeno del aire. Esa reacción tan cotidiana tiene una estructura fija que, una vez entendida, le permite escribir y balancear cualquier combustión, desde el butano de un cilindro de gas LP hasta la glucosa que «queman» sus células. Al terminar una parrillada, ¿por qué se apaga el fuego si se cubren las brasas con arena? Lo vamos a ver.
Qué es una combustión completa
Si tapa una vela encendida con un vaso boca abajo, la llama se achica hasta apagarse en pocos segundos y las paredes del vaso se empañan. ¿Qué necesita el fuego para arder y qué se produce mientras arde?
Para que el fuego exista hacen falta tres ingredientes a la vez: combustible, oxígeno y calor para empezar. Si falta uno, el fuego se apaga.
En la cocina de gas de la casa de Lucía el butano reacciona con el oxígeno del aire mientras se calienta la cena. Complete el esquema general de una combustión completa…
En la cocina de gas de la casa de Lucía el butano reacciona con el oxígeno del aire mientras se calienta la cena. Complete 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 $\dots$».
Indique cuáles de estas ecuaciones corresponden a una combustión completa y explique por qué: a) $CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow CO_2 + 2\ H_2O$ b)…
Indique cuáles de estas ecuaciones corresponden a una combustión completa y explique por qué:
- a) $CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow CO_2 + 2\ H_2O$
- b) $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$
- c) $C + O_2 \rightarrow CO_2$
- d) $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$
Al terminar una parrillada, Jorge cubre las brasas con arena y el fuego se apaga. El esquema de la combustión se puede representar así: Explique, usando el esquema de la…
Al terminar una parrillada, Jorge cubre las brasas con arena y el fuego se apaga. El esquema de la combustión se puede representar así:
Explique, usando el esquema de la combustión, qué «ingrediente» de la reacción falta al cubrir las brasas y por qué el fuego no puede continuar.
Balanceo de la combustión de un hidrocarburo
El metano ($\text{CH}_4$) necesita 2 moléculas de $\text{O}_2$ por molécula; el propano ($\text{C}_3\text{H}_8$), 5. ¿Hay una forma ordenada de encontrar esos números sin memorizarlos?
Si la molécula del combustible ya tiene oxígeno, como el etanol ($\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$), ese oxígeno propio se descuenta: hay que aportar menos $\text{O}_2$ del aire.
El metano ($CH_4$) es un gas que se usa en muchas cocinas. Escriba la ecuación de su combustión completa (los productos son dióxido de carbono y agua) y ajústela.
El metano ($CH_4$) es un gas que se usa en muchas cocinas. Escriba la ecuación de su combustión completa (los productos son dióxido de carbono y agua) y ajústela.
El butano ($C_4H_{10}$) de los cilindros de gas arde con oxígeno formando dióxido de carbono y agua. Escriba la ecuación y ajústela; le aparecerá un coeficiente…
El butano ($C_4H_{10}$) de los cilindros de gas arde con oxígeno formando dióxido de carbono y agua. Escriba la ecuación y ajústela; le aparecerá un coeficiente fraccionario en el oxígeno que tendrá que eliminar multiplicando toda la ecuación por dos.
Las chimeneas de bioetanol queman etanol ($C_2H_6O$) produciendo dióxido de carbono y agua. Escriba y ajuste la ecuación de su combustión completa. Pista: tenga en…
Las chimeneas de bioetanol queman etanol ($C_2H_6O$) produciendo dióxido de carbono y agua. Escriba y ajuste la ecuación de su combustión completa. Pista: tenga en cuenta que la propia molécula de etanol ya lleva un átomo de oxígeno.
Combustión incompleta: cuando el oxígeno no alcanza
Un mechero Bunsen lo muestra muy bien: con la entrada de aire abierta la llama es azul (completa); con el aire cerrado, la llama es amarilla y luminosa, y deja hollín en lo que se calienta.
Con el carbono pasa lo mismo: $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$ (completa) y $2\ \text{C} + \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{CO}$ (incompleta). Por cada 2 átomos de C, la completa gasta $2\ \text{O}_2$ y la incompleta, solo $1\ \text{O}_2$.
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.…
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. Diga cuál de las dos lo mancha y explique qué tipo de combustión (completa o incompleta) tiene lugar en cada caso.
Cuando un calentador de gas funciona en un cuarto mal ventilado, la combustión del butano se vuelve incompleta. Nombre las dos sustancias que pueden formarse entonces en…
Cuando un calentador de gas funciona en un cuarto mal ventilado, la combustión del butano se vuelve incompleta. Nombre las dos sustancias que pueden formarse entonces en lugar de dióxido de carbono y explique por qué una de ellas es especialmente peligrosa para las personas que están en el cuarto.
El hollín que se acumula en las chimeneas es carbono que no ha llegado a arder del todo. a) Escriba la ecuación balanceada de la combustión completa del carbono, que…
El hollín que se acumula en las chimeneas es carbono que no ha llegado a arder del todo.
- a) Escriba la ecuación balanceada de la combustión completa del carbono, que forma dióxido de carbono.
- b) Escriba la ecuación balanceada de su combustión incompleta cuando se forma monóxido de carbono.
- c) Compare el oxígeno que consume cada una por cada $2$ átomos de carbono y explique por qué el hollín y el $CO$ aparecen cuando el aire escasea.
Cantidades en una combustión
Una ecuación balanceada es como una receta: dice en qué proporción reaccionan las sustancias. ¿Cómo se usa para saber cuánto oxígeno se consume o cuánto $\text{CO}_2$ se emite al quemar cierta masa de combustible?
La ecuación balanceada de la combustión del propano es $C_3H_8 + 5\ O_2 \rightarrow 3\ CO_2 + 4\ H_2O$. a) ¿Cuántas moléculas de oxígeno se necesitan para quemar una…
La ecuación balanceada de la combustión del propano es $C_3H_8 + 5\ O_2 \rightarrow 3\ CO_2 + 4\ H_2O$.
- a) ¿Cuántas moléculas de oxígeno se necesitan para quemar una molécula de propano?
- b) ¿Cuántos moles de oxígeno se necesitan para quemar $0.4\ \text{mol}$ de propano?
- c) ¿Cuántos moles de dióxido de carbono se formarán en ese caso?
El carbón de una parrillada es casi carbono puro y su combustión completa es $C + O_2 \rightarrow CO_2$. a) ¿Cuántos moles de dióxido de carbono se forman al quemar…
El carbón de una parrillada es casi carbono puro y su combustión completa es $C + O_2 \rightarrow CO_2$.
- a) ¿Cuántos moles de dióxido de carbono se forman al quemar $3\ \text{mol}$ de carbono?
- b) Las masas molares del carbono y del dióxido de carbono son $12\ \text{g/mol}$ y $44\ \text{g/mol}$, respectivamente. Calcule cuántos gramos de $CO_2$ se emiten al quemar $36\ \text{g}$ de carbón.
Un cilindro de gas de camping contiene $5.8\ \text{kg}$ de butano ($C_4H_{10}$, masa molar $58\ \text{g/mol}$) y su combustión completa es…
Un cilindro de gas de camping contiene $5.8\ \text{kg}$ de butano ($C_4H_{10}$, masa molar $58\ \text{g/mol}$) y su combustión completa es $2\ C_4H_{10} + 13\ O_2 \rightarrow 8\ CO_2 + 10\ H_2O$.
- a) Calcule los moles de butano que contiene el cilindro.
- b) Calcule los moles de $CO_2$ que se emitirán al quemarlo entero.
- c) Con la masa molar del $CO_2$, $44\ \text{g/mol}$, calcule los kilogramos de $CO_2$ emitidos y comente por qué esas emisiones preocupan aunque la combustión sea completa.
Combustibles, emisiones y contaminación
Cada combustión de un combustible fósil vierte $\text{CO}_2$ al aire, y este gas contribuye al efecto invernadero. Además, algunos combustibles traen impurezas. El carbón y ciertos combustibles contienen azufre, que al arder forma $\text{SO}_2$: $\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2$. Ese gas, al disolverse en el agua de las nubes, forma ácidos y produce lluvia ácida.
Cuánta energía libera cada combustible
No todos los combustibles entregan la misma energía por cada gramo que se quema. Esa cantidad se llama calor de combustión y se mide en $\text{kcal/g}$. Es negativo porque la reacción es exotérmica: libera energía.
Emisiones de un carro
Para pensar la contaminación hace falta también medir. Observe cómo se calculan las emisiones de un carro:
El carro quema la misma cantidad de combustible con uno o con cuatro pasajeros, así que emite los mismos $30\ \text{kg}$. Lo que baja al compartir es la parte que le toca a cada persona.
Los catalizadores de los carros transforman parte de los gases tóxicos del escape en otros menos dañinos. Por ejemplo, $2\ \text{CO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{CO}_2$ convierte el $\text{CO}$ tóxico en $\text{CO}_2$, que no es tóxico para respirar pero sí aporta al efecto invernadero. Y $2\ \text{NO} \rightarrow \text{N}_2 + \text{O}_2$ está balanceada (2 N y 2 O a cada lado) y reemplaza un óxido contaminante por los gases normales del aire.
Para reconocer los productos de una combustión se usan pruebas sencillas: el sulfato de cobre anhidro, blanco, se pone azul con agua, y el agua de cal se enturbia con $\text{CO}_2$.
Cuando usted corre, sus músculos «queman» glucosa ($C_6H_{12}O_6$) con el oxígeno que respira, y se forman dióxido de carbono y agua. Es la respiración celular, una…
Cuando usted corre, sus músculos «queman» glucosa ($C_6H_{12}O_6$) con el oxígeno que respira, y se forman dióxido de carbono y agua. Es la respiración celular, una combustión lenta dentro de sus células. Escriba y ajuste la ecuación de esa reacción.
Vuelva al principio: la vela tapada se apaga porque se agota el oxígeno, y el vaso se empaña por el agua que se forma; las brasas cubiertas con arena se apagan por la misma razón.