Los procesos químicos en la combustión son iniciados generalmente por factores como calor, luz, y chispas.
Cuando los materiales combustibles alcanzan la temperatura específica de ignición y la presión ambiental necesaria para ello, la reacción de combustión comienza.
La combustión entonces se expande desde la fuente de ignición hacia las capas adyacentes de mezcla de gas; a su vez, cada punto de la capa ardiendo sirve como fuente de ignición para la siguiente capa adyacente, y así sucesivamente.
La combustión es finalizada cuando el equilibrio se alcanza entre el total de energía calorífica de los reactivos y el total de energía calorífica de los productos.
Procesos químicos de la combustión
En este momento, sería bueno que mencionara que además de los procesos químicos en la combustión, nos topamos con procesos de tipo físicos.
En la combustión de tipo gaseosa, por ejemplo, la difusión de reactivos y los productos de la combustión, dependen en su concentración, presión y cambios de temperatura, así como la difusión de coeficientes.
La combustión también puede emitir energía luminosa, especialmente en la porción infrarroja del espectro luminoso.
La luz emitida por una Flama, se origina de la presencia de partículas en estado de excitación eléctrica y de iones, radicales y electrones.
Otro detalle que encontramos entre las curiosidades de la combustión, es que todos los combustibles corrientes contienen Carbono (C).
La hulla y el coque son carbono más o menos puro; el gas de la ciudad, el butano, la gasolina, el petróleo y el aceite pesado son compuestos orgánicos de carbono e hidrógeno, mejor conocidos por todos nosotros como Hidrocarburos.
En una combustión completa (en la que todos los componentes combustibles son consumidos), a partir del carbono se forma dióxido de carbono (CO2); a partir de hidrocarburos, obtenemos dióxido de carbono y agua.
Si la cantidad de oxígeno es insuficiente para una combustión completa, se forma monóxido de carbono (CO) que es un gas venenoso.
La lumbre de una chimenea cuyo tiro está muy cerrado, de forma que entra poco oxígeno, puede causar peligrosas intoxicaciones por monóxido de carbono.
Si la combustión del carbón de piedra y de la madera es muy incompleta, se forma brea. La mayoría de los combustibles contiene sustancias minerales que no arden y quedan en forma de ceniza.
¿Por qué la flama tiene colores?
El color de una flama gaseosa pura, depende de la sustancia que se quema. La llama de los hidrocarburos es azul si se cuenta con el oxígeno preciso.
El color es casi independiente de la temperatura de la Flama. Si se sustituye el aire por oxígeno puro (recordemos que el aire es una mezcla de gases, principalmente Nitrógeno y Oxígeno), por ejemplo, en un soplete, la flama se calienta más y luce con mayor intensidad, pero sigue siendo de color azul.
Cuando se calienta un cuerpo sólido, adopta diferentes colores según la temperatura. Las partículas sólidas incandescentes del combustible son las que dan a la flama sus colores, desde el rojo obscuro a los 600-800 °C, el naranja y el amarillo en los 1100-1200 °C, hasta llegar al blanco deslumbrante por encima de los 1500 °C.
Ejemplo
Veamos un ejemplo de la coloración de la flama. Cuando arde una vela de estearina, se derrite una parte de ésta, se gasifica y forma una Flama.
La temperatura del interior de la Flama es inferior a la del exterior, por no hallarse como éste. en contacto directo con el aire.
Partículas incandescentes de estearina dan su color a la Flama. Si se pone sobre ella un terrón de azúcar, se adhieren a su superficie las partículas de carbón de dicha Flama.
Los colores luminosos del fuego proceden de una serie de partículas de carbón que flotan dentro de la lumbre.
Todos los cuerpos que arden producen luz, cuyo color depende de la temperatura.
La temperatura alta da luz, preferentemente de la zona azul del espectro luminoso; la temperatura baja emite un color de la luz que va desde el amarillo y naranja hasta el rojo.
¿Existe la combustión sin flama?
¡Por supuesto que existe!, muchas veces no nos damos cuenta, pero la realidad de nuestro mundo cotidiano es, en ocasiones, mucho más impresionante que el creado en la ciencia ficción.
¿Te has puesto a pensar que tú mismo eres un claro ejemplo de una combustión sin flama? Enseguida explicaré por qué… En la naturaleza tienen lugar muchos procesos que desde el punto de vista químico, son combustiones sin flama.
En todo caso, se efectúa en ellos una combinación entre una sustancia y oxígeno, de la que se desprende calor.
Combustiones de este tipo son la oxidación del hierro (Fe), la transformación del alimento en energía corporal y la putrefacción.
Si no se forma flama es porque el proceso se realiza tan lentamente que la combustión no llega a la temperatura de ignición.
La combustión completa, por ejemplo, de 1 kg. de azúcar dando dióxido de carbono y agua, desprende la misma cantidad de calor tanto si se realiza al aire libre o si se realizara en un sistema cerrado, como lo es el cuerpo humano.
La temperatura del hombre se mantiene a unos 37 °C porque el calor de la reacción (absorción de la energía de los alimentos), relativamente rápida, es absorbida por la masa corporal del hombre.
La energía proporcionada por la combustión que se desarrolla en nuestro tubo digestivo se emplea, ante todo, para mantener la temperatura y la energía muscular, así como para la construcción de nuevas células.
La herrumbre de los metales consiste en una corrosión de la superficie, a causa de la oxidación.
Muchos metales se oxidan en contacto con el aire, cubriéndose de una capa de óxido metálico.
En ciertos casos, ésta es muy dura y espesa y protege al metal contra el ataque posterior del oxígeno del aire. Un excelente ejemplo de esto sería el aluminio, donde la capa es tan gruesa que el metal brilla y no es atacado.
Por el contrario, la herrumbre (DICC) en el caso del fierro, es una capa porosa que se forma cuando el oxígeno del aire atraviesa y corroe el fierro.
La putrefacción
Otra combustión sin flama, es la putrefacción. Por ejemplo, la putrefacción del estiércol es comparable a la del cuerpo humano. Si el calor no se elimina con la suficiente rapidez la temperatura del estiércol puede elevarse de tal manera que que ocasione su incendio.
Recordemos que la combustión comienza cuando se alcanza la temperatura de ignición de la sustancia que actuará como combustible.
Otro ejemplo de un incendio espontáneo sería cuando ponemos en contacto de un trapo empapado en gasolina con un montón de heno húmedo.
Muchas sustancias que arden con dificultad pueden quemarse si el oxígeno y el calor llegan a todas sus partes. Incluso el hierro se quema cuando se deshace en finas virutas, ya que estas ofrecen al oxígeno una gran superficie de contacto.
Este principio es fácil de comprobar, es más difícil hacer que se queme un papel enrollado que uno arrugado. Así mismo, un tronco de leña arde más fácilmente si se le hacen unos cortes.
La combustión explosiva
La combustión explosiva es una oxidación muy rápida que libera energía en forma de calor.
En la reacción se forman gases que se expanden por el calentamiento produciendo una fuerte presión.
La técnica moderna aprovecha de diversas maneras este efecto: para impulsar automóviles y aviones (tenemos el ejemplo del motor de combustión interna), y como explosivo para las minas y construcción de túneles.
Sin embargo, también ha sido usada de forma destructiva, como la creación de armas y bombas.
El explosivo más antiguo es la pólvora negra, la única existente hasta mediado el siglo XIX, en el que se comenzó el uso de la nitroglicerina.
En 1867, Alfred Nobel consiguió transformar la nitroglicerina en otro explosivo menos peligroso, la dinamita.
Durante los últimos cien años se ha conseguido fabricar una serie de explosivos más potentes y seguros.
La combustión explosiva se ha aprovechado en nuestro tiempo para idear inventos revolucionarios en el campo de las comunicaciones.
En el motor de explosión, la presión del gas que se forma en la explosión se transforma en fuerza motriz. Este fenómeno ha permitido el desarrollo del automovilismo y de la aviación.
La combustión explosiva es la más intensa de todas, pero su fuerza de explosión no puede compararse con la que proporciona la energía atómica. En la combustión se produce una transformación de energía en la que los átomos entran en nuevas combinaciones.
En la explosión atómica tiene lugar un estallido de los núcleos atómicos, proceso diferente del de la combustión, pero bueno, ese es un tema del que no hablaremos por ahora.
Como medida del efecto de una explosión atómica se emplea la comparación con el trinitrotolueno (TNT), uno de los explosivos más potentes.
Una bomba atómica de 20 megatones tiene una fuerza explosiva equivalente a 20 millones de toneladas de TNT.
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