Reacciones de combustión

En la cocina de gas de casa de Lucía el butano reacciona con el oxígeno del aire mientras se calienta la cena. Completa 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 $\dots$».

Indica cuáles de estas ecuaciones corresponden a una combustión completa y explica 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 una barbacoa, Jorge cubre las brasas con arena y el fuego se apaga. El esquema de la combustión se puede representar así:

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

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. Comprueba que la ecuación está ajustada.
3. c) ¿Qué puedes concluir sobre qué elementos contiene la cera de la vela? Razona la respuesta.

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

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

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

El butano ($C_4H_{10}$) de las bombonas naranjas arde con oxígeno formando dióxido de carbono y agua. Escribe la ecuación y ajústala; te aparecerá un coeficiente fraccionario en el oxígeno que tendrás que eliminar multiplicando toda la ecuación por dos.

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

Cuando corres, tus músculos «queman» glucosa ($C_6H_{12}O_6$) con el oxígeno que respiras, y se forman dióxido de carbono y agua. Es la respiración celular, una combustión lenta dentro de tus células. Escribe y ajusta 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. Di cuál de las dos lo mancha y explica qué tipo de combustión (completa o incompleta) tiene lugar en cada caso.

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

Un calentador de 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. Escribe y ajusta 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) Escribe la ecuación ajustada de la combustión completa del carbono, que forma dióxido de carbono.
2. b) Escribe la ecuación ajustada de su combustión incompleta cuando se forma monóxido de carbono.
3. c) Compara el oxígeno que consume cada una por cada $2$ átomos de carbono y explica 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) Escribe 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) Calcula cuántos moles de $O_2$ consume cada una por cada $2\ \text{mol}$ de metano.
3. c) Usando esos números, explica por qué una cocina de gas encendida mucho rato en una habitación pequeña y sin ventilar puede acabar produciendo monóxido de carbono.

La ecuación ajustada 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 una barbacoa 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. Calcula cuántos gramos de $CO_2$ se emiten al quemar $36\ \text{g}$ de carbón.

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

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

1. a) Escribe ajustadas las combustiones completas del carbono y del metano.
2. b) Compara 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, razona por qué sustituir carbón por gas natural en una central reduce las emisiones de $CO_2$ por cada kilovatio-hora producido.

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

1. a) Escribe y ajusta la ecuación de su combustión completa.
2. b) Calcula los moles de etanol quemados y los moles de oxígeno consumidos.
3. c) Con la masa molar del $O_2$, $32\ \text{g/mol}$, calcula la masa de oxígeno que se ha consumido en la sala y comenta por qué el fabricante recomienda ventilar la estancia.

Un auto de gasolina emite en promedio $120\ \text{g}$ de $CO_2$ por kilómetro y otro diésel, $105\ \text{g}$ por kilómetro.

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

El catalizador de un auto transforma parte de los gases tóxicos del tubo 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) Explica 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: explica cuál.
3. c) Otra reacción del catalizador es $2\ NO \rightarrow N_2 + O_2$. Comprueba que está balanceada y razona por qué es beneficiosa para el aire que respiramos.

El carbón de algunas centrales térmicas contiene azufre como impureza.

1. a) Escribe y ajusta 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 ($H_2SO_3$): escribe y ajusta esa reacción.
3. c) Relaciona estos hechos con el fenómeno de la lluvia ácida y explica 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) Calcula 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»). Explica con qué criterio se distingue un hidrógeno de otro y por qué solo uno de ellos ayuda de verdad contra el cambio climático.