Combustión y energía

¿Para qué sirve esto?

La estufa de la casa, el mechero del laboratorio, el encendedor y el motor de una moto tienen algo en común: todos queman un combustible para sacarle energía. En la cocina, la llama del gas calienta la olla; en el motor, los gases calientes empujan los pistones. Detrás de cada llama hay una reacción química que se puede escribir, balancear y medir.

Con lo que ya sabes de balanceo y de estequiometría puedes responder preguntas muy concretas: ¿cuánto oxígeno consume una llama?, ¿cuánto dióxido de carbono sale cuando se quema cierta masa de gas?, ¿por qué una llama amarilla y con humo negro es señal de que algo anda mal?

Antes de empezar repasa cómo se balancea una ecuación por tanteo y cómo se pasa de gramos a moles con la masa molar. En esta lección las masas atómicas son las redondeadas de uso escolar (H = 1, C = 12, O = 16), y todas las cantidades de los problemas son inventadas para practicar.

Qué es una combustión

Una combustión es la reacción de un combustible con el oxígeno del aire. Es una reacción de óxido-reducción: el oxígeno gana electrones y se reduce, y el carbono del combustible los pierde y se oxida. También es exotérmica: libera energía. Esa energía no aparece de la nada; sale de que los enlaces que se forman en los productos son más estables que los que se rompen en los reactivos.

Los combustibles más comunes son hidrocarburos, compuestos de carbono e hidrógeno: el metano (CH₄) del gas natural, el propano (C₃H₈) y el butano (C₄H₁₀) del gas de cilindro y de los encendedores, o el octano (C₈H₁₈), uno de los componentes de la gasolina. También se queman compuestos con oxígeno, como el etanol (C₂H₅OH).

La combustión completa

Cuando hay oxígeno suficiente, cada átomo de carbono del combustible termina en una molécula de dióxido de carbono, CO₂, y cada par de átomos de hidrógeno en una molécula de agua, H₂O. Esos son los dos únicos productos de la combustión completa de un hidrocarburo:

$$\text{hidrocarburo} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O}$$

Para balancearla hay un orden que casi siempre funciona:

1. El carbono primero. Tantos CO₂ como carbonos tenga el combustible.
2. Después el hidrógeno. La mitad de los hidrógenos del combustible es el número de moléculas de agua, porque cada agua lleva dos.
3. El oxígeno al final. Cuenta los oxígenos de los productos y reparte entre O₂, que lleva dos. Si te queda un número impar de oxígenos, multiplica toda la ecuación por 2.

El oxígeno va al final porque en los productos está en las dos sustancias, el CO₂ y el agua: si lo ajustas antes, lo desajustas al tocar el carbono o el hidrógeno. Y el O₂ de los reactivos no lleva ningún otro elemento, así que su coeficiente se puede cambiar sin descuadrar nada más. Si el combustible también trae oxígeno, como el etanol, primero se restan sus oxígenos y el resto se reparte entre los O₂.

Una idea que sorprende: los productos pesan más que el combustible

Si quemas un trozo de combustible, la masa de CO₂ y de agua que sale es mayor que la del combustible. No es que se cree materia: el oxígeno que entra en los productos viene del aire. La ley de conservación de la masa se cumple si cuentas todos los reactivos, incluido el oxígeno, que no se ve ni se pesa con facilidad.

La combustión incompleta

Cuando el oxígeno no alcanza (una estufa con la entrada de aire tapada, un motor mal ajustado, una llama en un cuarto cerrado), el carbono no llega hasta CO₂. Se queda a mitad de camino como monóxido de carbono, CO, o como carbono sólido, el hollín que ennegrece las ollas. El hidrógeno sigue saliendo como agua.

Una combustión incompleta gasta menos oxígeno por cada molécula de combustible, y también libera menos energía, porque el carbono queda menos oxidado. La llama del gas bien regulada es azul; una llama amarilla y con humo negro es señal de que falta aire.

El monóxido de carbono es un gas tóxico que no tiene color ni olor, así que no se nota. Por eso las estufas, los calentadores y los motores encendidos necesitan buena ventilación, y un aparato que deja hollín necesita revisión.

Cuentas con la ecuación balanceada

Los coeficientes de la ecuación son la receta en moles. Para pasar de gramos de combustible a gramos de un producto se usa la cadena que ya conoces:

$$\text{g de combustible} \rightarrow \text{mol de combustible} \rightarrow \text{mol de producto} \rightarrow \text{g de producto}$$

El primer paso divide entre la masa molar del combustible; el segundo multiplica por la razón de coeficientes; el tercero multiplica por la masa molar del producto.

En resumen

• La combustión es una reacción de óxido-reducción y exotérmica entre un combustible y el oxígeno.

• La combustión completa de un hidrocarburo da solo CO₂ y agua; se balancea con carbono, luego hidrógeno y al final oxígeno.

• La incompleta ocurre cuando falta oxígeno, gasta menos O₂ y deja además monóxido de carbono, hollín o los dos.

• Los productos tienen más masa que el combustible porque el oxígeno del aire también es reactivo.

• La cadena gramos → moles → razón de coeficientes → gramos da cuánto producto sale o cuánto oxígeno se necesita.

Vocabulario

Combustión

Reacción rápida de una sustancia, el combustible, con el oxígeno, que libera energía en forma de calor y, muchas veces, de luz.

Hidrocarburo

Compuesto formado solo por carbono e hidrógeno, como el metano, el propano o el butano.

Combustión completa

Combustión con oxígeno suficiente: todo el carbono termina en CO₂ y todo el hidrógeno en agua.

Combustión incompleta

Combustión con poco oxígeno: además de agua, se forma monóxido de carbono (CO), carbono sólido (hollín) o los dos.

Reacción exotérmica

Reacción que libera energía hacia el entorno.