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Es una reacción química súbita e intensa de pérdida de electrones de un material combustible con un oxidante, provocando el desprendimiento de energía en forma de luz, calor en diferentes intensidades y otros productos químicos convertidos. Al liberarse calor puede hacerse visible en forma de flama.
Para que se produzca la combustión es necesario un material con energía almacenada en sus enlaces moleculares, el llamado "combustible", que se combine fácilmente con un "oxidante" como el oxígeno del aire, generando la combustión por medio de suficiente energía en forma de calor, de modo que la combinación de ambos alcance la temperatura de ignición y de esta manera se sostenga una reacción en cadena en presencia de mayores cantidades de combustible, oxidante y calor, manteniendo una temperatura de inflamación. Estos cuatro elementos se deben combinar en el momento, el lugar y la proporción adecuada.
Una fuente de energía emitirá "fotones" de luz o "fonones" de calor para energizar las moléculas de "combustible" a un nivel suficiente para que sus enlaces se descompongan y se liberen en forma de gas volátil, emitiendo "fotones" y "fonones de calor" como producto de la ruptura de los enlaces de dichas moléculas.
Su ecuación química sería: "Combustible" + Calor -> "Producto No volátil" + "Gas volátil". El proceso de descomposición de moléculas se llama "fotólisis".
Fotones y fonones energizan a los electrones de las moléculas del gas y del oxígeno presente, excitándolos electrónicamente y de este modo provoca que se comporten de una forma altamente reactiva.
Los electrones del gas ascienden así a niveles superiores de energía y abandonan sus moléculas originales oxidándolas, y al ser recibidas por las moléculas de oxígeno reactivas, emitirán fotones (flama visible) y fonones creando una reacción en cadena de liberación de energía, mientras existan suficientes insumos de combustible y oxidante, lo que sostendrá el fuego.
Las moléculas de gas se combinan de distintas maneras formando agua, dióxido de carbono y otros productos. La ecuación química más frecuente sería:
CH2O + O2 -> CO2 + H2O
Metanal
Si el combustible tiene compuestos no volátiles, se formarán cenizas y residuos como calcio y potasio entre otros. Muchos combustibles se queman en un solo paso como la gasolina, donde la fotólisis vaporiza las moléculas de gasolina y la combina de forma casi instantánea con el oxígeno sin dejar cenizas o restos.
El color de una flama dependerá de la característica de los átomos que compongan la materia (la energía emitida cuando un electrón regresa a su estado original) en el combustible, y de cuánto calor contiene la reacción. La parte más caliente de la flama en la base brilla azul (1400 °C) y la parte más fría en la parte superior es amarilla o roja (700°C).
En la Tierra, la gravedad determina cómo quema una flama. Todos los gases calientes en la flama son mucho más calientes y menos densos que el aire que lo rodea, así es que se mueven hacia arriba buscando menores presiones. Un fuego dentro de un ambiente con microgravedad formaría una esfera.
Producción de calor
Se puede producir calor mediante una reacción química de combustión.
En las reacciones de combustión obtenemos calor combinando un combustible (gasolina, butano, madera...) con el oxígeno del aire.
El calor que se genera al transformarse el combustible, vaporiza los componentes originados y hace saltar sus electrones a niveles más altos. Al des-excitarse emiten luz y calor.
El tipo de luz que emiten depende de los componentes gaseosos excitados.
En las combustiones de compuestos que contienen carbono siempre se producen CO2 y H2O con algo de CO.
La forma de la llama nos indica si la combustión es rica o pobre.
En los estudios sobre las zonas de la llama se especifican estas partes:
1.- Cono frío: no llega oxígeno.
2.- Cono de reducción: poco oxígeno.
3.- Cono de oxidación: abundancia de oxígeno.
4.- Zona de fusión: alcanza los 1500 °C.
Cómo se obtiene una buena llama
Para lograr una buena llama hay que regular la cortina de entrada de aire en el mechero de gas, de manera que la combustión sea máxima, que la llama tenga forma de dardo y que sea más azulada y luminosa. De esta forma el calor liberado en la combustión del gas es máximo.
Cuando una combustión es rica, con mucho aporte de oxígeno, el butano se combina con el oxígeno y se convierte en CO2 y H2O. Los dos son gases y escapan a la atmósfera.
2 C4 H10+ 13 O2 ---> 8 CO2 + 10 H2O
En química se estudia el calor de combustión a partir de los calores de formación de los componentes de la reacción.
Cómo es una combustión pobre
Una llama pobre, con poca entrada de aire al mechero, tiene forma vacilante, es de color rojizo (menor temperatura) y más oscura porque contiene muchas partículas de hollín, y produce humos que manchan.
El hollín consiste en partículas de carbono que no se quemaron y no pasaron a gas en forma de CO y CO2.
La llama de un mechero de alcohol es más pobre que la de un mechero de butano.
La mecha es de algodón y prácticamente no se quema a pesar de arder en ella el alcohol.
La combustión pobre de las estufas, calentadores de gas y braseros produce todos los años muchas muertes por intoxicación.
Subproductos de combustión
La combustión genera H2O, NO, NO2, CO, CO2 y partículas. La combustión también puede emitir gases de hidrocarbono, vapores y partículas orgánicas. Pueden generarse impurezas como metales, mercaptanos, óxidos de sulfuro y otras partículas. Algunas partículas son grandes y se depositan, pero la mayoría de ellas son submicrónicas y permanecen suspendidas en el aire durante largos periodos de tiempo.
La combustión de los calentadores de gas produce NO2 y CO que deberán purgarse al exterior. Los calentadores ambientales emiten partículas, CO, NO2 y, en ocasiones, SO2. Las estufas de gas emiten partículas y gases. Las estufas de leña y carbón emiten partículas cuando se abren para ser cargadas. Las chimeneas emiten partículas constantemente.
Una fuente de contaminación del aire la constituyen los motores de combustión interna, cuya acción contaminante se hace sentir en lugares como colegios, hospitales, hoteles, centros comerciales y todo tipo de establecimientos con cocheras anexas. En las grandes urbes por las que circulan cantidades de vehículos, es común que el aire ambiente contenga una gran cantidad de partículas y gases. Esta contaminación podría reducirse considerablemente recurriendo a filtros para las partículas submicrónicas y ultra finas, además de una filtración molecular del aire de suministro.
Fuentes de combustión domésticas
De acuerdo al combustible utilizado y a la eficiencia de la combustión, será la cantidad de compuestos liberados.
Es la combustión que se realiza en estufas y chimeneas de encendido manual o en sistemas de calefacción central con instalaciones de encendido automático. Estas fuentes de combustión liberan cantidades importantes de sustancias químicas que figuran en el Anexo "C" del Convenio de Estocolmo1.
Según el combustible que se use y la eficiencia de la combustión, será la cantidad de compuestos liberados. Para que una combustión sea eficiente es fundamental regular la temperatura de la misma, mantener la mezcla adecuada de los gases, el tiempo de residencia, una cantidad suficiente de oxígeno y las propiedades del combustible. La quema eficiente de combustibles limpios y no tratados para calefacción y cocina, son de importancia primordial para reducir la formación y liberación de las sustancias químicas del Anexo C. Para reducir la liberación de estas sustancias, producidas a partir de fuentes de combustión doméstica, se han ideado estrategias que incluyen programas de educación, sensibilización y capacitación sobre el uso correcto de aparatos, uso de combustibles adecuados y efectos de la combustión doméstica no controlada en la salud. Los aparatos pequeños de calefacción y cocina domésticas, no suelen contar con las tecnologías de reducción utilizadas comúnmente en establecimientos industriales. No obstante, con el uso y buen funcionamiento de estufas bien diseñadas, se pueden lograr reducciones de las sustancias químicas del Anexo C, con la importante ventaja complementaria de mejorar la calidad del aire en interiores.
Las mejores técnicas disponibles son las aplicadas a los quemadores cerrados de baja emisión, los conductos de escape y el uso de leña seca bien curada. Se recomienda a su vez evitar el uso de madera tratada o maderos impregnados de sal marina, así como el uso de plásticos como material para encendido o combustible.
Las fuentes de combustión domésticas exigen un severo control para evitar las intoxicaciones.
La combustión de gran calidad y eficiencia en aparatos de cocina y calefacción, es muy importante para reducir la formación y liberación de las sustancias químicas del Anexo C. Para combustores cerrados, depende principalmente de la temperatura de la cámara de combustión, turbulencia de los gases de combustión, tiempo de residencia, exceso de oxígeno y el tipo de combustible utilizado.
Las mejores prácticas ambientales están relacionadas con los aparatos de combustión y problemas potenciales, la ventilación, la inspección y mantenimiento, el uso correcto de los aparatos y el combustible, los programas de educación, sensibilización y capacitación, la gestión de la combustión doméstica y la gestión de las liberaciones hacia otros medios.
1 El Convenio de Estocolmo sobre los Contaminantes Orgánicos Persistentes (COPs) es un acuerdo internacional que regula el tratamiento de las sustancias tóxicas. Fue firmado en 2001 en Estocolmo y entró en vigor el 17 de mayo de 2004. Inicialmente el convenio regulaba doce productos químicos incluyendo productos producidos intencionadamente, tales como: pesticidas, PCBs; dioxinas y furanos. Actualmente hay 172 países que han ratificado el convenio
