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La combustión es generalmente entendida como sinónimo de arder, pero, desde un punto de vista químico, la combustión es un fenómeno mucho más amplio. La combustión se puede definir como una reacción de oxidación altamente exotérmica, lo que significa que es una reacción que desprende energía en forma de calor, a veces acompañada de luz, como ocurre en el fuego.

Aunque la combustión sea una reacción exotérmica, su inicio puede requerir que se aporte calor hasta llegar a la temperatura de ignición, una característica de cada sustancia. Una vez que comienza la combustión, el propio calor que desprende la reacción sirve para que esta continúe.

Combustibles y comburentes

Como en toda reacción, hay unas sustancias que reaccionan entre sí, los sustratos, para formar otras sustancias, los productos. Los sustratos de la combustión se denominan combustible y comburente:

  • combustible: es la sustancia oxidable, la que “arde”.
  • comburente: es la sustancia oxidante, la que provoca o favorece la combustión del combustible (no confundir con carburante, que es un tipo de combustible).

Los combustibles son sustancias que desprenden calor al oxidarse y algunos de los más habituales son hidrocarburos, tanto gaseosos como líquidos y sólidos. Por ejemplo, el butano es un hidrocarburo gaseoso, el gasóleo es líquido y el carbón es sólido. Entre los comburentes, el mas común es el oxígeno propio del aire.

Los productos derivados de la combustión dependen de los combustibles y comburentes implicados. En la combustión más típica, la de un hidrocarburo y oxígeno, los enlaces carbono-hidrógeno presentes en el hidrocarburo se rompen y ambos elementos se combinan con el oxígeno para formar dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O).

Por ejemplo, en la combustión del metano (CH4) con oxígeno ocurre la siguiente reacción:

Combustioón de metano
Reacción de la combustión de metano y oxígeno

Como los enlaces C-H contienen más energía que los enlaces C-O y H-O, hay energía que se libera y es la causante del calor.

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La combustión es una reacción imprescindible para muchas formas de vida de nuestro planeta, incluyendo los seres humanos, que utilizan la combustión controlada de nutrientes a nivel celular como fuente de energía. Por ejemplo, las mitocondrias utilizan la energía que desprende la combustión de glucosa para formar ATP, molécula que la célula puede utilizar posteriormente en sus procesos vitales que requieran de aporte energético.

Combustión completa y combustión incompleta

Viendo el ejemplo anterior de la combustión del metano, se puede ver que se necesitan dos moléculas de O2 para la combustión de una molécula de CH4. Si hay suficiente oxígeno, habrá una combustión completa en la que todo el metano se transforma en CO2 y H2O.

La relación entre cantidad de combustible y de comburente para una combustión completa es la relación estequiométrica. En el ejemplo del metano y el oxígeno, esta relación sería 1:2. Por debajo de este nivel, la combustión de un material puede seguir produciéndose pero llegará un momento en el que el oxígeno se agote y la reacción se detenga o se de particalmente. La combustión habrá sido incompleta.

En la combustión incompleta de hidrocarburos, además de producirse CO2, H2O y de quedar combustible sin reaccionar, se pueden producir otras sustancias derivadas. Por ejemplo, el hollín son partículas sólidas de pequeño tamaño, formadas principalmente por carbono impuro, que se producen como consecuencia de la combustión incompleta de la madera, carbón y otros combustibles hidrocarburados.

El control de la combustión es muy importante en ciertas aplicaciones, por ejemplo los motores de combustión de los automóviles. El diseño del dispositivo debe asegurar un caudal de aire adecuado que permita una combustión completa y minimice la formación de restos que puedan dañar el propio dispositivo.

Además, la combustión incompleta de hidrocarburos también produce monóxido de carbono (CO), un gas con mayor impacto medioambiental y más tóxico que el CO2.

Metano: combustión completa e incompleta
Metano: combustión completa e incompleta

Para hacerse una idea de la mayor toxicidad, el límite de exposición permisible del OSHA para el CO en aire es de 50 ppm mientras que es de 5000 ppm para el CO2 (ASHRAE recomienda no superar los 1000 ppm). Por este motivo, la producción de monóxido de carbono por combustión incompleta es una de las principales consideraciones de seguridad en aparatos domésticos, tales como estufas y cocinas.

Referencias

  1. Combustion Efficiency and Excess Air. The Engineering Toolbx.
  2. Karlo Delgado (2011). CO y CO2 – ¿cuál es la diferencia?. MetrosCO2.

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