Chemistry · Libro 1 · Grades 1–12

Química escolar — Años 1 a 12

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14La combustión: combustibles, productos y gases de efecto invernadero

Una familia duerme en un piso cuya caldera de gas tiene la salida de humos obstruida. La llama, sin aire suficiente, arde mal, y un gas invisible y sin olor va llenando poco a poco las habitaciones. A las dos de la madrugada, una cajita en la pared empieza a pitar: el detector de monóxido de carbono. Todos salen a tiempo. El mismo combustible, si arde bien, solo da dióxido de carbono y agua, y ese dióxido de carbono tiene su propia historia, escrita en el aire de todo el planeta.

Lo que ya sabes

Una combustión necesita un combustible, oxígeno y calor, y produce sustancias nuevas (Capítulo 5). El aire es más o menos una quinta parte de oxígeno (Capítulo 4). Una ecuación está ajustada cuando cada clase de átomo aparece el mismo número de veces en los dos miembros (Capítulo 13).

14.1 La combustión del carbono y del metano

Ejemplo 14.1 (Dos combustiones)

El carbono (carbón vegetal, carbón mineral) arde y da dióxido de carbono:

C(s)+OX2(g)→COX2(g).\ce{C(s) + O2(g) -> CO2(g)}.

El metano, la parte principal del gas natural, arde y da dióxido de carbono y agua:

CHX4(g)+2 OX2(g)→COX2(g)+2 HX2O(l).\ce{CH4(g) + 2O2(g) -> CO2(g) + 2H2O(l)}.

En los dos casos, el gas formado enturbia el agua de cal; con el metano, además, un vaso frío se empaña.

Método 14.2 (Escribir la combustión de un combustible formado por carbono e hidrógeno)

Para un combustible cuyas moléculas solo contienen carbono e hidrógeno:

  1. los productos son el dióxido de carbono y el agua;
  2. se ajusta el carbono con COX2\ce{CO2} y después el hidrógeno con HX2O\ce{H2O};
  3. se cuentan los átomos de oxígeno de la derecha y se ajustan con OX2\ce{O2}; si aparece una mitad, se duplica todo.

Para el butano: 2 CX4HX10+13 OX2→8 COX2+10 HX2O\ce{2C4H10 + 13O2 -> 8CO2 + 10H2O}.

14.2 Combustión completa e incompleta

Definición 14.3 (Combustión completa e incompleta)

Una combustión completa se produce con oxígeno suficiente: todo el carbono del combustible se convierte en dióxido de carbono. Una combustión incompleta se produce con demasiado poco oxígeno: parte del carbono se convierte en monóxido de carbono, CO\ce{CO}, o en hollín, que es carbono, C\ce{C}.

Ejemplo 14.4 (Metano con poco oxígeno)

Con demasiado poco aire, el metano puede arder dando monóxido de carbono o hollín:

2 CHX4+3 OX2→2 CO+4 HX2O,CHX4+OX2→C+2 HX2O.\ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}, \qquad \ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}.

Proposición 14.5 (Leer una llama)

Un mechero Bunsen con la entrada de aire abierta mezcla aire con el gas antes de que arda: la llama es azul y apenas visible, y la combustión es completa. Con la entrada de aire cerrada, el gas encuentra demasiado poco oxígeno: la llama es amarilla, humea y ennegrece de hollín un objeto frío que se acerque a ella; la combustión es incompleta.

Un mechero Bunsen. El aire que entra por abajo da una llama azul y una combustión completa; sin él, la llama es amarilla y humea.
Un mechero Bunsen. El aire que entra por abajo da una llama azul y una combustión completa; sin él, la llama es amarilla y humea.
Una cuchara fría sostenida en la llama amarilla de una vela se ennegrece de hollín: la combustión es incompleta.
Una cuchara fría sostenida en la llama amarilla de una vela se ennegrece de hollín: la combustión es incompleta.

14.3 El monóxido de carbono, un peligro silencioso

Proposición 14.6 (Por qué mata el monóxido de carbono)

El monóxido de carbono no tiene color, ni olor, ni sabor. Al respirarlo, ocupa el lugar del oxígeno en la sangre (el libro de biología explica cómo) y provoca dolor de cabeza, somnolencia y, en una habitación cerrada, pérdida del conocimiento y la muerte. Lo produce cualquier combustible que arde con poco aire: una caldera o un calentador de gas mal revisados o con la salida de humos obstruida, un hornillo en una tienda de campaña cerrada, una barbacoa o un generador usados en un interior.

Seguridad

Monóxido de carbono: gas extremadamente inflamable (GHS02), suministrado a presión (GHS04); tóxico en caso de inhalación (GHS06); perjudica a determinados órganos por exposiciones repetidas y puede dañar al feto (GHS08).

Observación 14.7 (Prevenir las intoxicaciones)

Los aparatos de gas los revisa con regularidad un profesional, las salidas de humos y las rejillas de ventilación no se tapan nunca, las barbacoas y los generadores solo se usan al aire libre, y se instala un detector de monóxido de carbono cerca de cualquier quemador.

Una caldera de gas y, a su lado, un detector de monóxido de carbono.
Una caldera de gas y, a su lado, un detector de monóxido de carbono.

14.4 El dióxido de carbono y el efecto invernadero

Definición 14.8 (Gas de efecto invernadero)

Un gas de efecto invernadero es un gas del aire que deja pasar la luz del Sol pero retiene parte del calor que la superficie de la Tierra devuelve hacia el espacio, y así calienta la atmósfera baja. El vapor de agua, el dióxido de carbono y el metano son gases de efecto invernadero; el nitrógeno y el oxígeno, no. (Cómo ocurre esto lo explica el libro de física.)

Proposición 14.9 (El dióxido de carbono del aire aumenta)

La cantidad de dióxido de carbono del aire se mide sin interrupción desde 1959 en un observatorio situado en una montaña en mitad del océano Pacífico. Era de 316 partes por millón (ppm) de aire en 1959 y de 427 ppm en 2025: un aumento de alrededor del 35 %35\,\% en una vida humana, debido sobre todo a la quema de carbón, petróleo y gas natural. El dióxido de carbono adicional refuerza el efecto invernadero y calienta el clima.

Media anual del dióxido de carbono del aire, medida desde 1959 (datos del NOAA Global Monitoring Laboratory; antes de 1974, de la Scripps Institution of Oceanography).
Media anual del dióxido de carbono del aire, medida desde 1959 (datos del NOAA Global Monitoring Laboratory; antes de 1974, de la Scripps Institution of Oceanography).

14.5 Combustibles fósiles y renovables

Definición 14.10 (Combustibles fósiles y renovables)

Un combustible fósil (el carbón, el petróleo, el gas natural) se formó bajo tierra a lo largo de millones de años a partir de los restos de plantas y animales marinos antiguos. Un combustible renovable se obtiene de plantas cultivadas hoy, o de residuos: la madera, el biogás del estiércol y de los restos de comida, el etanol fabricado con remolacha o caña de azúcar.

Proposición 14.11 (De dónde viene el carbono)

Las plantas toman dióxido de carbono del aire para crecer. Quemar un combustible renovable devuelve el dióxido de carbono que sus plantas tomaron del aire hace pocos años. Quemar un combustible fósil libera carbono que estuvo encerrado bajo tierra durante millones de años: añade dióxido de carbono al aire.

Los combustibles renovables devuelven al aire el carbono que sus plantas le tomaron; los combustibles fósiles añaden carbono que estaba almacenado bajo tierra.
Los combustibles renovables devuelven al aire el carbono que sus plantas le tomaron; los combustibles fósiles añaden carbono que estaba almacenado bajo tierra.
Una central térmica de carbón.
Una planta de biogás en una granja: el estiércol se convierte en un combustible renovable.

14.6 Ejercicios

Ejercicio 14.2 ★

¿Qué diferencia hay entre una combustión completa y una incompleta?

Solución

Solución de Ejercicio 14.2.

Con oxígeno suficiente, todo el carbono se convierte en dióxido de carbono (completa). Con demasiado poco, una parte se convierte en monóxido de carbono o en hollín (incompleta).

Ejercicio 14.3 ★

¿Por qué se dice que el monóxido de carbono es un peligro silencioso?

Solución

Solución de Ejercicio 14.3.

No tiene color, ni olor, ni sabor: nadie lo nota y, sin embargo, es tóxico.

Ejercicio 14.4 ★

¿Fósil o renovable: el carbón, la madera, el gas natural, el biogás, la gasolina, el etanol de remolacha?

Solución

Solución de Ejercicio 14.4.

Fósiles: el carbón, el gas natural, la gasolina. Renovables: la madera, el biogás, el etanol de remolacha.

Ejercicio 14.5 ★★

Escribe la ecuación ajustada de la combustión completa del propano, CX3HX8\ce{C3H8}.

Solución

Solución de Ejercicio 14.5.

CX3HX8+5 OX2→3 COX2+4 HX2O\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}.

Ejercicio 14.6 ★★

El etanol, CX2HX6O\ce{C2H6O}, arde por completo en oxígeno. Ajusta CX2HX6O+OX2→COX2+HX2O\ce{C2H6O + O2 -> CO2 + H2O}.

Solución

Solución de Ejercicio 14.6.

Carbono: 2 COX2\ce{CO2}; hidrógeno: 3 HX2O\ce{H2O}; oxígeno a la derecha, 4+3=74 + 3 = 7, de los que 1 viene del etanol, así que 3 OX2\ce{O2}: CX2HX6O+3 OX2→2 COX2+3 HX2O\ce{C2H6O + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O}.

Ejercicio 14.7 ★★

Una cazuela sostenida sobre una llama amarilla se ennegrece por debajo. ¿Qué es la sustancia negra? ¿Qué nos dice sobre la combustión?

Solución

Solución de Ejercicio 14.7.

Hollín, es decir, carbono. La combustión es incompleta: a la llama le falta oxígeno.

Ejercicio 14.8 ★★

Lee la curva del dióxido de carbono: ¿cuánto dióxido de carbono, más o menos, contenía el aire en 1980 y en 2000? ¿Cuántas ppm aumentó en esos veinte años?

Solución

Solución de Ejercicio 14.8.

Unas 339 ppm en 1980 y unas 370 ppm en 2000: un aumento de unas 30 ppm.

Ejercicio 14.9 ★★

¿Por qué quemar madera añade, con los años, menos dióxido de carbono al aire que quemar carbón, aunque los dos den dióxido de carbono?

Solución

Solución de Ejercicio 14.9.

El carbono de la madera lo tomó del aire el árbol hace unos años o unas décadas: al quemarla se devuelve ese dióxido de carbono. El carbono del carbón estuvo almacenado bajo tierra durante millones de años: al quemarlo se añade dióxido de carbono nuevo al aire.

Ejercicio 14.10 ★★

Ajusta la combustión incompleta del carbono que da monóxido de carbono, C+OX2→CO\ce{C + O2 -> CO}.

Solución

Solución de Ejercicio 14.10.

2 C+OX2→2 CO\ce{2C + O2 -> 2CO}.

Ejercicio 14.11 ★★★

De 1959 (316 ppm) a 2025 (427 ppm), ¿en qué porcentaje aumentó el dióxido de carbono del aire? Redondea al número entero más próximo.

Solución

Solución de Ejercicio 14.11.

(427−316)/316=111/316≈0.35(427 - 316)/316 = 111/316 \approx 0.35: alrededor del 35 %35\,\%.

Ejercicio 14.12 ★★★

Se usa una estufa de gas en una habitación pequeña con la ventana cerrada. Explica, con dos ecuaciones de este capítulo, cómo la combustión puede pasar de completa a incompleta a medida que pasa el tiempo, y por qué esto es peligroso.

Solución

Solución de Ejercicio 14.12.

Al principio hay oxígeno suficiente: CHX4+2 OX2→COX2+2 HX2O\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}. A medida que se gasta el oxígeno de la habitación cerrada, la llama arde con poco aire: 2 CHX4+3 OX2→2 CO+4 HX2O\ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}. El monóxido de carbono, inodoro y tóxico, se acumula en la habitación.

14.7 Problema: El hornillo en la tienda de campaña

Problema 14.1

Problema de fin de semana — un hornillo de camping, el gas que quema, lo que produce y por qué nunca se mete en una tienda de campaña

Un hornillo de camping quema propano, CX3HX8\ce{C3H8}, de un cartucho que contiene 450 g450\,\mathrm{g}. Al aire libre, la llama es azul. Toma estas proporciones en masa, calculadas a partir de la ecuación ajustada: 44 g44\,\mathrm{g} de propano que arden por completo dan 132 g132\,\mathrm{g} de dióxido de carbono.

Parte I — Las ecuaciones.

  1. Escribe la ecuación ajustada de la combustión completa del propano.
  2. Compruébala contando los átomos de cada clase en cada miembro.
  3. Ajusta la combustión incompleta CX3HX8+OX2→CO+HX2O\ce{C3H8 + O2 -> CO + H2O}.
  4. ¿Cuál de las dos necesita más oxígeno por molécula de propano?

Parte II — Dentro de una tienda de campaña.

  1. Un hornillo encendido dentro de una tienda cerrada pronto arde con una llama amarilla. Explica por qué.
  2. ¿Qué gas peligroso se forma entonces? Da dos de sus propiedades que hacen difícil notarlo.
  3. El cartucho de propano lleva dos pictogramas. Nómbralos y di qué significa cada uno.
  4. Da dos normas para usar un hornillo de camping con seguridad.

Parte III — El dióxido de carbono de un cartucho.

  1. ¿Cuántas veces más pesa el dióxido de carbono formado que el propano quemado?
  2. ¿De dónde salen los gramos adicionales?
  3. ¿El propano es un combustible fósil o renovable? ¿Al quemarlo se añade dióxido de carbono al aire?
  4. Calcula la masa de dióxido de carbono liberada cuando arde por completo un cartucho entero de 450 g450\,\mathrm{g}.
Solución

Solución de Problema 14.1.

1. CX3HX8+5 OX2→3 COX2+4 HX2O\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}.

2. Izquierda: 3 C, 8 H, 10 O. Derecha: 3 C, 4×2=84 \times 2 = 8 H, 3×2+4=103 \times 2 + 4 = 10 O. Ajustada.

3. 2 CX3HX8+7 OX2→6 CO+8 HX2O\ce{2C3H8 + 7O2 -> 6CO + 8H2O}.

4. La combustión completa: 5 moléculas de oxígeno por molécula de propano, frente a 7/2=3.57/2 = 3.5 en la incompleta.

5. El aire de la tienda cerrada pronto se queda sin oxígeno; a la llama ya no le llega suficiente y arde de forma incompleta, amarilla.

6. El monóxido de carbono: no tiene color, ni olor (ni sabor).

7. GHS02, la llama: extremadamente inflamable. GHS04, la bombona de gas: gas guardado a presión.

8. Por ejemplo: usarlo solo al aire libre, nunca en una tienda de campaña ni en una habitación cerrada; mantenerlo lejos de todo lo que pueda arder; cambiar el cartucho lejos de cualquier llama.

9. 132÷44=3132 \div 44 = 3 veces más pesado.

10. Del oxígeno del aire, que acaba en el dióxido de carbono (y en el agua).

11. Un combustible fósil (procede del gas natural o del petróleo): al quemarlo se añade dióxido de carbono al aire.

12. 450×3=1350 g=1.35 kg450 \times 3 = 1350\,\mathrm{g} = 1.35\,\mathrm{kg} de dióxido de carbono.

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