el fuego - roda USC

El fuego
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EL FUEGO
Juan Ramón Gallástegui Otero
Francisco Lorenzo Barral
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Objetivos de aprendizaje
Al finalizar esta unidad se espera que seas capaz de
1. Reconocer la importancia del modelo atómico de la materia para
explicar hechos empíricos.
2. Distinguir los procesos en los que tienen lugar reacciones químicas
utilizando tus conocimientos sobre las características de las mismas.
3. Representar las reacciones químicas mediante el lenguaje y la
notación de la Química.
4. Explicar la conservación de la masa en las reacciones químicas a
partir del modelo atómico de la materia.
5. Reconocer algunos factores que afectan al desarrollo de la velocidad
de las reacciones químicas.
6. Reconocer los combustibles y los alimentos como sustancias
energéticas y el orden de magnitud de la energía que se puede obtener
de ellos.
7. Interpretar las normas para prevenir, apagar o protegerse de los
incendios en función de la naturaleza de las reacciones de
combustión.
8. Valorar críticamente el efecto de las reacciones de combustión sobre
nuestra salud y calidad de vida y sobre el futuro de nuestro planeta.
El fuego
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LEE CON ATENCIÓN:
Los primeros seres humanos que empezaron a utilizar
instrumentos se servían de la naturaleza tal como la encontraban. El fémur
de un animal de buen tamaño o la rama arrancada de un árbol eran
magníficas garrotas. Y, ¿qué mejor proyectil que una piedra?
Con el paso de los milenios los hombres primitivos aprendieron a
tallar las piedras, dándoles un borde cortante o una forma que permitiera
asirlas fácilmente. El siguiente paso consistió en unir la piedra a un astil de
madera tallado para este propósito. Pero, de todas formas, sus piedras
talladas seguían siendo piedras, y su madera tallada seguía siendo madera.
Sin embargo, había ocasiones en que la naturaleza de las cosas sí
cambiaba. Un rayo podía incendiar un bosque y reducirlo a un montón de
cenizas y restos pulverizados, que en nada recordaban a los árboles que
había antes en el mismo lugar. La carne conseguida mediante la caza podía
estropearse y oler mal; y el jugo de las frutas podía agriarse con el tiempo,
o convertirse en una bebida extrañamente estimulante.
Este tipo de alteraciones en la naturaleza de las substancias
(acompañadas, como a veces descubrían los hombres, de cambios
fundamentales en su estructura) constituyen el objeto de la ciencia que
hemos dado en llamar Química. Y una alteración fundamental en la
naturaleza y en la estructura de una substancia es un cambio químico.
La posibilidad de beneficiarse deliberadamente de algunos
fenómenos químicos se hizo realidad cuando el hombre fue capaz de
producir y mantener el fuego (lo que en términos históricos se conoce como
«descubrimiento del fuego»). Tras este hallazgo el ser humano se convirtió
en un químico práctico al idear métodos para que la madera—u otro
material combustible—se combinase con el aire a una velocidad suficiente
y producir así luz y calor, junto con cenizas, humo y vapores. Había que
secar la madera y reducir a polvo una parte para utilizarla como yesca;
había que emplear algún método —como el frotamiento— para alcanzar la
temperatura de ignición, y así sucesivamente.
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El calor generado por el fuego servía para producir nuevas
alteraciones químicas: los alimentos podían cocinarse, y su color, textura y
gusto cambiaban. El barro podía cocerse en forma de ladrillos o de
recipientes. Y finalmente, pudieron confeccionar cerámicas, piezas
barnizadas e incluso objetos de vidrio.
(Tomada de: Isaac Asimov "Breve Historia de la Química")
Haz una lista de los sitios de tu casa donde se utiliza el fuego
¿para qué se utiliza?
¿cómo hay que hacer para encenderlo?, compara los métodos con el que se
propone en la lectura anterior.
El fuego
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LAS REACCIONES QUÍMICAS
Se ponen unas gotas de alcohol en un vidrio de reloj (lo más limpio posible) y se
prende fuego.
Gotas de alcohol en un vidrio de reloj
¿Qué le pasa al alcohol?
Explica lo que crees que ocurre con el mayor detalle posible.
Hay unos cambios en la naturaleza que suponen la transformación de una o varias
sustancias en otra u otras sustancias.
Al arder el alcohol se forman nuevas sustancias
¿qué tienen en común con el alcohol las nuevas sustancias que se forman?
El alcohol que quemamos ha desaparecido como tal sustancia, pero los átomos
que lo formaban no desaparecen, sino que ahora se agrupan formando otras sustancias
distintas. Por eso decimos que este proceso transcurre con conservación de los átomos.
Los procesos donde unas sustancias se transforman en otras con conservación de
los átomos son las reacciones químicas.
La variación de propiedades entre la sustancia o sustancias de partida (reactivos) y
la sustancia o sustancias en las que se transforman (productos) puede ser muy grande.
Por ejemplo, en la reacción que se produce cuando arde el alcohol (combustión del
alcohol), las sustancias que se forman son gaseosas a esa temperatura.
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LOS COMBUSTIBLES
El alcohol arde, pero existen sustancias que no arden.
Haz una lista de tres sustancias que arden
.....................
.....................
.....................
y tres que no arden
.....................
.....................
.....................
Escribe ahora al lado del nombre de la sustancia su composición (los átomos que
las forman). En las que no lo sepas, pregúntaselo a tu profesor o profesora.
¿Cuál piensas que puede ser la razón de que unas sustancias pueden arder y
otras no?
Se llaman combustibles las sustancias o mezclas de sustancias que arden, los más
importantes son:
- butano y otros gases parecidos como propano, gas natural…
- carbón
- madera
- gasóleo
- ……………
El fuego
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De aquí en adelante a los combustibles los vamos a presentar como el dibujo
siguiente:
No todos los combustibles tienen en su composición átomos de C, H y O como
por ejemplo el etanol. Algunos tienen solamente átomos de C y de H como los llamados
hidrocarburos: propano, butano, gasolina,... Otros tienen una composición diferente en
la que entran átomos distintos a los de C, H y O.
El papel del
oxígeno en las combustiones
Ya sabes lo que va a ocurrir al tapar con un vaso una vela encendida.
Discute en tu grupo las razones por las que eso sucede y anota las conclusiones a
las que habéis llegado.
La reacción de combustión se realiza al combinarse el oxígeno con la sustancia
combustible
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LOS PRODUCTOS DE LA REACCIÓN
El agua como producto de las combustiones
Acerca un objeto frío colocado casi vertical a una llama y podrás ver cómo se
empaña.
Observa cómo ocurre y trata de explicarlo.
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……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Ya podemos, por tanto, incluir el agua en nuestro esquema:
El dióxido de carbono
El compuesto más estable, y por tanto el más habitual, que se forma entre los
átomos de carbono y los átomos de oxígeno es el dióxido de carbono, CO2.
Un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno forman una molécula de dióxido
de carbono. Estas moléculas a temperatura ambiente están muy separadas unas de otras
y moviéndose a gran velocidad por lo que esta sustancia es gaseosa.
El fuego
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Ya tenemos la reacción completa:
Construye con los modelos de "bolas y palos" o con palillos y plastilina las
moléculas de reactivos y productos de la reacción de combustión del metano.
Sustancias que arden pero no dan H2O
Imagina una sustancia, como el carbón, que no tiene hidrógeno en su
composición
¿crees que dará agua como producto de su combustión? ¿por qué?
Sustancias que arden pero no dan CO2
Tu profesor te va a mostrar como arde el magnesio
Ahora vas a quemar otra sustancia conocida, el azufre.
1. Toma un poco de azufre con una espátula y ponlo sobre un vidrio de reloj.
2. Acércale una cerilla hasta que empiece a arder.
3. Anota lo que ocurre (fíjate en el olor).
Acerca un papel indicador húmedo a los gases que se forman en la combustión
del azufre ¿de qué color se pone? …………………………………………………
El color que adquiere el papel indicador nos sirve para saber si una sustancia es
ácida, neutra o básica. Los gases que se forman al arder el azufre son……………
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Otras sustancias no deseadas en las reacciones de combustión
Qué crees que ocurre al quemar carbón que tenga sustancias con átomos de S o
de N ¿por ejemplo?
Completamos entonces el esquema de la reacciones de combustión:
El fuego
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CONTAMINACIÓN DE LA ATMÓSFERA
Las lluvias ácidas
Las lluvias ácidas constituyen una amenaza ilimitada sobre
nuestro medio ambiente; es uno de los mayores problemas que tiene
planteado la sociedad actual. La Comisión Económica Europea ha
considerado las lluvias ácidas como el segundo problema en importancia
después del paro.
Es un precio demasiado elevado el que estamos pagando por
causa de nuestra cada vez más creciente industrialización. Es el ser
humano quien, en última instancia, debe resolver este acuciante problema;
no podemos ni debemos permanecer pasivos ante dicho fenómeno, ya que
la recuperación de los medios naturales redundará en nuestro propio
beneficio y en de las especies animales y vegetales que con nosotros
cohabitan.
Hace varios miles de millones de años, animales y plantas fueron
convertidos en lo que hoy llamamos combustibles fósiles, principalmente
carbón y petróleo. Aquellas plantas y animales, como las actuales,
contienen una cierta cantidad de azufre que han absorbido del medio
ambiente. En los últimos cien años, los seres humanos hemos ido quemando
todos estos grandes reservorios de materia orgánica y con ello estamos
liberando a la atmósfera bastante cantidad del citado elemento. Los
combustibles fósiles, también liberan al aire otras sustancias
contaminantes, como óxidos de nitrógeno (los cuales hacen su propia
contribución a la acidificación), dióxido de carbono (CO2) (que puede
afectar al clima global terrestre, por el conocido efecto invernadero),
metales pesados y gran variedad de otras sustancias.
Los contenidos de azufre en el carbón y el petróleo, dependen de
los lugares de la tierra donde éstos se gestaron. El petróleo crudo puede
contener del 2 al 3% de dicho elemento. Las proporciones en el carbón son
variables. Enormes cantidades de azufre serían liberadas a la atmósfera si
siguiéramos quemando combustibles fósiles de manera masiva.
El citado elemento, no obstante, también se encuentra en la
atmósfera de forma natural, ya que una buena cantidad deriva de
erupciones magmáticas, de los océanos y de ciertos procesos del suelo. Sin
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embargo, en el norte de Europa la contribución humana es responsable del
90% del azufre presente en la atmósfera.
(Tomado de Ana J. Hernández "Temas ecológicos de incidencia social")
Imaginad que se produce la situación siguiente:
Una central térmica, situada en el centro de una región minera,
se plantea la necesidad de sustituir el carbón de la región, que
tiene un alto contenido en azufre, por carbón de importación con
menos azufre, y disminuir así sus niveles de emisiones
contaminantes.
Esta posibilidad alarma a los habitantes de la zona, que temen el
próximo cierre de las minas, y un aumento del paro en la región.
Se plantea un debate entre los que defienden la continuidad en la
explotación minera, aun a costa de contaminar la atmósfera, y
los defensores de una atmósfera limpia, aunque suponga
sacrificios económicos.
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Debate entre dos grupos:
a) defensores de los mineros
b) defensores de la atmósfera no contaminada...
Aproximadamente la mitad de los alumnos y alumnas de tu clase vais a formar un
grupo que va a actuar en un debate como defensores de los mineros y sus puestos
de trabajo y la otra mitad va a formar un grupo que en el debate va a defender la
existencia de una atmósfera no contaminada por los productos de la combustión
del carbón en las centrales térmicas o en la calefacciones caseras.
Como punto de partida podéis utilizar el texto anterior sobre la lluvia ácida
(defensores de la atmósfera) y el que figura a continuación (defensores de los
mineros):
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El fuego
En
tiempo
muchos
que
análisis
las
económicos se
políticas
ha argumentado
ambientales
se
oponen
durante
al
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mucho
desarrollo
económico:
• condicionan o impiden aquellas inversiones que producen daños
ambientales.
• tienen una repercusión negativa sobre los precios
•
un
mayor
nivel
de
exigencias
y
control
ambiental
puede
provocar el desplazamiento de inversiones hacia zonas o paises
menos exigentes.
• sectores en crisis pueden ser empujados definitivamente a un
estado que dé al traste con ellos
• en consecuencia, las políticas ambientales producen paro...
Tenéis unos días para recoger información que aporte más argumentos a favor
de la postura que vais a defender en el debate. Esta información la podéis buscar
en la prensa diaria, en revistas semanales o mensuales de información general o
en libros de la biblioteca,...
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OTRAS REACCIONES QUE NO SON COMBUSTIONES....
Las reacciones de combustión son ejemplos muy importantes pero existen otros
tipos de reacciones, otros procesos donde intervienen sustancias distintas al oxígeno.
Tu profesor o profesora va a mostrar una reacción diferente.
Va a mojar dos trozos de algodón, uno en ácido clorhídrico (HCl) y otro en
amoniaco (NH3) y acercarlos
¿ves lo que está ocurriendo?
Se forma un humo blanco que es una nueva sustancia.
¿De qué átomos puede estar formada?
Otro ejemplo es la reacción de descomposición del carbonato cálcico en óxido de
calcio y dióxido de carbono. Esta reacción se utiliza para obtener la cal viva (óxido de
calcio, CaO) a partir de roca caliza (carbonato cálcico). Con estos datos ¿serías capaz
de deducir la fórmula del carbonato cálcico?
……
CaO + CO2
En el diagrama de Venn de la página siguiente aparecen representados los
conjuntos:
{reacciones químicas}, {reacciones de combustión}
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Fíjate que las reacciones de combustión son un subconjunto de las reacciones
químicas, pero hay reacciones químicas que no son combustiones.
En el diagrama aparecen colocados algunos elementos de los conjuntos
representados que corresponden a reacciones químicas que ya hemos visto.
Reacciones químicas
• ...
óxido de calcio + dióxido de carbono
Combustiones
• alcohol + oxígeno
• C + oxígeno
•ácido clorhídrico + amoniaco
...
Representa en el diagrama los siguientes procesos:
1.- Obtención de átomos de He a partir de átomos de H (fusión nuclear)
2.- Obtención de limaduras de hierro a partir de un clavo
3.- Obtención de NH3 a partir de N2 y H2
4.- Obtención de H2O a partir de H2 y O2
Si algunos de estos procesos no son reacciones químicas tienes que
representarlos fuera del diagrama.
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LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
Las reacciones químicas transcurren a diferentes velocidades: unas son muy
rápidas y otras son muy lentas.
Vas a ver un trozo del videograma titulado "Fuego y llamas".
Influencia en la velocidad del grado de división del combustible
Predice lo que ocurre cuando tiramos un tronco de leña a la chimenea entero y
troceado en astillas.
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Realizalo y contrástalo con tu hipótesis
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……………………………………………………………………
Explica por qué ocurre eso
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Explica ahora lo que viste en el videograma sobre el fuego y las llamas:
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Piensa por qué el papel o la madera, que están en contacto con el oxígeno del
aire, no arden hasta que les acercamos un objeto encendido o subimos la
temperatura.
El oxígeno reacciona con muchas sustancias: hidrógeno, alcohol, hierro,... Pero la
velocidad de la reacción no es igual con todas ellas. Puede ir tan rápida como las
explosiones (oxígeno con hidrógeno), algo más lenta como las combustiones de alcohol
o del carbón y más lentas aun como las corrosiones. Pero dentro de estos extremos
podemos hacer que una misma sustancia reaccione a diferentes velocidades. La mezcla
de gasolina-aire reacciona muy rápidamente en el motor de explosión de un coche, y
más lentamente si se quema gasolina en estado líquido en un vidrio de reloj. Lo mismo
el carbón que en trozos grandes arde muy lentamente y finamente pulverizado puede
llegar a provocar explosiones en las minas. Como has visto en el videograma la harina,
el aluminio y el carbón cuando se queman en forma de polvo pueden causar
explosiones devastadoras.
¿Hasta qué punto se puede dividir finamente una sustancia sólida o líquida? Para
contestar a esta pregunta tenemos que utilizar el modelo de partículas de la materia:
cuanto más finamente pulvericemos un sólido o un líquido, obtendremos trozos de
sólido o gotas de líquido cada vez más pequeños, que estarán formados por menos
partículas de la sustancia. El “límite” lo alcanzaremos cuando cada trozo sea una sola
partícula. A partir de ahí ya no lo podemos dividir más. Pero una sustancia con sus
partículas separadas es ¡un gas!. Por eso una sustancia arde mucho más rápido cuando
está en estado gaseoso.
El carburador de los coches y las motos
Lee atentamente el texto siguiente y complétalo en los lugares donde aparecen
los puntos suspensivos.
La Carburación
Voy a hablar de la preparación de las mezclas aire-gasolina y de
algunas condiciones indispensables de los carburadores para llevar a
efecto su cometido.
El objeto del carburador es hacer la gasolina "comestible" (para
el motor, se entiende). Para que la mezcla explote en el interior de la
cámara de explosión se necesita introducir, junto con la gasolina, una
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buena cantidad de aire, puesto que (al menos así lo dicen los sabios y
seguro que llevan razón esta vez) para que un cuerpo combustible arda
necesita
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……………………………
De ahí que lo que se mete en el interior de esta cámara tiene que
ser "mezcla" y no gasolina, y la mezcla no es más que gasolina pulverizada
y aire, todo ello muy junto. ¿Que por qué hay que pulverizar la gasolina?
Muy sencillo: esto voy a aclararlo con la ayuda de la figura. En ella vemos
en primer lugar una gota de gasolina. Si nosotros convertimos esta gota
grande en un número grande de gotas más pequeñas, habremos conseguido
.....…………………………………………......………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………
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Así pues vemos que uno de los problemas que tiene que resolver el carburador es
el de preparar una mezcla de aire y gasolina, pero esta última finamente pulverizada, es
decir, convertida en pequeñísimas gotas.
Influencia de la temperatura en la velocidad de las reacciones
La temperatura es otro factor que influye en la velocidad a la que ocurre una
reacción química. Sobre esta influencia de la temperatura es muy probable que tengas
ya tus propias ideas, pero vamos a diseñar una experiencia para comprobarlo.
Vamos a escoger una reacción química que sea fácil de llevar a cabo y que
además nos permita observar a simple vista a qué velocidad transcurre:
Diseña una experiencia que te permita comprobar si la temperatura influye en la
velocidad de la reacción que sufren las pastillas efervescentes en el agua, en la
que se desprende CO2
El efecto de la temperatura sobre la velocidad de las reacciones, se interpreta
fácilmente utilizando el modelo de partículas de la materia: al aumentar la temperatura,
las partículas (moléculas, átomos...) que forman las sustancias se mueven a más
velocidad, con lo que aumenta el nº de choques entre ellas y también la energía con que
chocan. Eso es lo que hace que las reacciones vayan más deprisa al aumentar la
temperatura o más despacio cuando la temperatura disminuye.
A continuación te proponemos tres casos prácticos para que apliques las ideas
anteriores:
Caso 1.
En las instrucciones de uso de un pegamento de dos componentes (el pegamento
se obtiene mezclando porciones iguales de dos tubos diferentes) se indica:
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temperatura
la unión ya es
resistente
se alcanza la
resistencia máxima
20o
12 horas
3 dias
30o
4h
12 h
60o
45 min
2 horas
100o
15 min
¿Cuál crees que puede ser la explicación?
Caso 2.
En un libro de cocina leemos:”...después de tener los garbanzos en remojo varias
horas, los ponemos a cocer durante tres o cuatro horas hasta que estén blandos. Si los
cocemos en una olla express necesitaremos sólo media hora.”
Intenta explicar esa diferencia teniendo en cuenta que:
• un garbanzo al cocerse sufre una reacción química (o varias)
• el agua hierve a 100o, pero en una olla a presión hierve a 120o
Caso 3.
En una revista, en la sección de “trucos útiles para la casa”, leemos lo siguiente:
“Si quieres que las velas que enciendas en una ocasión especial te duren más
tiempo encendidas, colócalas varias horas en el congelador antes de encenderlas.”
¿Crees que ese truco puede funcionar? ¿Por qué?
Normas de seguridad en las gasolineras
Mira en la foto las normas de seguridad en las gasolineras.
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¿Por qué no se puede
respostar con las luces
encendidas o el motor
en marcha?
¿Por qué no se
puede fumar?
LAS CANTIDADES EN LAS REACCIONES QUÍMICAS
1. Imagina la combustión de un trozo de papel dentro de una campana totalmente
cerrada en la que haya suficiente oxígeno para quemarlo completamente.
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2. Compara el peso del contenido de la campana antes de quemarlo, durante la
combustión y después de quemarlo.
Explica la respuesta.
Hacemos un juego en grupo...
1. Construye en tu grupo, con plastilina y palillos bastantes moléculas de metano
y de oxígeno: sustancias que intervienen en la reacción de combustión del
metano.
2. Ahora imagina que se empieza a producir la reacción entre ellas. Vas a hacer
una simulación de esta reacción:
3. Con los átomos que forman las moléculas de metano y de oxígeno forma
moléculas de dióxido de carbono y agua. No debe faltar ni sobrar nada.
¿Cuántas moléculas de oxígeno se necesitan por cada molécula de metano?
....…………………………………………………………………………………
¿Cuántas moléculas de dióxido de carbono y cuántas de agua se forman a partir
de una de metano?
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El fuego
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Trata de escribir lo que acabas de hacer mediante las fórmulas de las sustancias
que intervienen en la reacción:
Explica ahora por qué pesan igual los reactivos y los productos de la reacción.
En una caja (I) con tierra, aire y una semilla, al cabo de tres o cuatro años (caja II)
ya creció un árbol y después se corta y se quema la madera (caja III).
Explica si hay o no variación de masa y de átomos entre las situaciones que se
representan en las cajas I, II y III.
Sigue el juego
Ahora lo vamos a hacer más difícil. En tu grupo cuando el profesor o profesora
diga "ya" empezáis a deshacer moléculas de metano y oxígeno y formar
moléculas de productos y cuando diga "manos quietas" paráis inmediatamente.
Fijaos cuál es la situación en un momento determinado.
Esto que habéis obtenido en la simulación nos puede ayudar a aproximarnos a lo
que ocurre en las combustiones: los átomos que forman el combustible han de separarse
unos de otros para poder unirse a los de oxígeno y formar el CO2 y el H2O. Este
proceso ocurre en el interior de las llamas, y a veces es posible obtener una muestra de
esos productos intermedios, a "medio quemar", por ejemplo, introduciendo un sólido
frío en mitad de la llama, al que se "pegan" esas sustancias.
En algunas ocasiones, como por ejemplo cuando el combustible está formado por
moléculas grandes o difíciles de romper, o cuando no hay suficiente oxígeno, alguno de
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los productos intermedios abandona el medio de reacción (la llama) sin haberse
combinado completamente con el oxígeno.
Las sustancias resultantes de combustiones incompletas constituyen el humo, que
tendrá un color tanto más negro, cuanto más abunden en él partículas de carbono.
Si el quemador de una cocina de butano está sucio o mal regulado, de modo que
no permite un aporte suficiente de oxígeno (aire), la llama deja de ser azul y pasa a ser
amarillenta y desprende partículas negras que manchan las cacerolas y sartenes...
A continuación volvemos a los modelos moleculares.
Repetid la tarea de romper moléculas de metano y de oxígeno para formar
moléculas de dióxido de carbono y de agua, pero esta vez partiendo de muchas
más moléculas de metano que de oxígeno.
Otra sustancia que puede formarse entre átomos de carbono y de oxígeno es el
monóxido de carbono, CO (cuando hay suficiente oxígeno, cada carbono se combina
con dos átomos de oxígeno, formando CO2).
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El monóxido de carbono es un gas venenoso que como tiene una estructura
parecida a la de las moléculas de oxígeno puede "engañar" a la hemoglobina de la
sangre y hacer que ésta lo transporte como si fuese oxígeno a las células y puede llegar
a causar la muerte de las personas. Por ejemplo, cuando se usan braseros de carbón en
ambientes muy cerrados y por tanto con poca renovación de oxígeno, se puede formar
una cantidad importante de monóxido de carbono con peligro para las personas que lo
respiren.
Los coches también expulsan CO con los gases de escape, además de "trozos" de
moléculas de gasolina (hidrocarburos no quemados). Por eso no se debe permanecer en
locales cerrados, como los garajes, con el motor en marcha.
Acabamos el juego
Vais a actuar como lo haría un catalizador de un coche.
¿Qué tenéis que hacer para acabar de quemar los restos que quedaron?
....………………………………………………………………………………………....…
……………………………………………………………………………………....………
………………………………………………………………………………....……………
……………………………………………………
Los catalizadores de los coches
Los motores de los coches realizan combustiones de gasolina o gasóleo emitiendo
gases contaminantes. Los paises tienen regulaciones que limitan estas emisiones, por
ejemplo la Comunidad Europea en 1989 estableció los límites para estas emisiones, en
gramos por kilómetro, en:
monóxido de carbono: 2,72;
hidrocarburos+óxidos de nitrógeno: 0,97;
partículas: 0,19
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Los escapes de los
coches emiten
demasiado monóxido de
carbono, hidrocarburos
no quemados y óxidos
de nitrógeno, que son
sustancias difíciles de
eliminar mediante
filtros.
Los científicos desarrollaron otras maneras de reducir la polución emitida por los
vehículos haciendo reaccionar estos gases para formar otras sustancias menos
peligrosas: dióxido de carbono, agua y nitrógeno. Estas reacciones se realizan en un
convertidor catalítico de tres vías que contiene tres metales: platino, paladio y rodio que
actúan de catalizadores. Un catalizador actúa aumentando la velocidad de reacciones
que sin él transcurren más lentamente. Algunas de las reacciones que tienen lugar en el
convertidor son:
2CO
+
O2
2CO2
2NO
+
2CO
N2
C7H16 +
11O2
7CO2 +
+
2CO2
8H2O
(cualquiera de los hidrocarburos emitidos reaccionan de manera similar)
Señala cuáles de las sustancias que intervienen en las reacciones anteriores son
compuestos y cuáles son elementos.
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LA ENERGÍA DE LOS COMBUSTIBLES
Recuerda para qué se utilizan los combustibles
……………………………………………………………………
……………………………………………………………………
……………………………………………………………………
El calor de combustión de una vela
Calentaremos agua con una determinada cantidad de combustible para lo cual
hemos de pesar la vela antes y después de calentar el agua con ella.
Cada grupo va a hacerlo con una cantidad diferente de agua (100 cm3, 200 cm3,
300 cm3, 400 cm3, …)
1. Medimos la temperatura del agua antes de encender la vela.
2. Encendemos la vela y calentamos el agua en un vaso.
3. Medimos la temperatura del agua después de cinco minutos y pesamos de
nuevo la vela.
4. Ahora vamos a calcular la cantidad de energía por gramo de vela que hemos
quemado:
Diseña la forma de hacerlo
Discute con los otros grupos y con tu profesor o profesora dicha forma
Hazlo
Analiza los resultados
Algunas velas son de parafina, consulta la tabla de calores de combustión y
compara el resultado con el de la tabla.
Analiza la coincidencia o la discrepancia.
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Tabla de calores de combustion
Combustible
kJ / g
Butano
Etanol
Parafina
Hidratos de carbono
Grasas
Proteínas
Gasolina
Fuel-oil
49,5
29,8
47,1
16,8
37,8
16,8
44,7
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En esta tabla aparecen sustancias como hidratos de carbono, grasas o proteínas,
que forman parte de los alimentos. Nuestro organismo utiliza estas sustancias para
obtener la energía que necesita y, aunque pueden arder (recuerda las lámparas de
aceite,...), en nuestro organismo se combinan con oxígeno para dar agua, dióxido de
carbono y otros productos siguiendo un mecanismo diferente. La energía que se obtiene
de estas sustancias es igual a la que se obtendría por una combustión con llama.
La energía química
Como acabamos de ver, los combustibles los utilizamos casi siempre para obtener
energía. Esta energía podemos usarla para calentar (un calentador de gas, una
chimenea...), para producir trabajo (el motor de una moto o el de un avión...), para
producir luz, electricidad, etc.
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¿De dónde sale esa energía?
La energía que se desprende en una combustión estaba antes en las sustancias de
partida: combustible y oxígeno. La cantidad de energía que se desprende es la
diferencia entre la energía que tienen los reactivos y la que tienen los productos (CO2,
H2O,…). Esto podemos representarlo mediante un diagrama:
combustibles + oxígeno
Energía
energía desprendida
agua + dióxido de carbono +...
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Las sustancias de partida tienen más energía que los productos de la reacción, por
eso muchas veces se habla de los combustibles como de sustancias "ricas " en energía,
mientras que el CO2 y el H2O serían "pobres" en energía.
A este tipo de energía que tienen las sustancias, que se pone de manifiesto en las
reacciones químicas, le llamamos energía química. Podemos decir entonces que el
carbón, la gasolina o el azúcar tienen mucha energía química. Cuando reaccionan con el
oxígeno y se producen CO2 y H2O, que tienen menos energía química, esa diferencia
en energía química se transforma en otros tipos de energía.
Los combustibles y muchos alimentos son buenos ejemplos de sustancias "ricas"
en energía química.
El contenido energético o "valor calórico" que aparece reflejado en los envases
de los productos alimenticios, o los valores de calor de combustión de la tabla anterior
se refieren a la cantidad de energía que se desprende cuando el alimento o el
combustible reaccionan con el oxígeno, que es la diferencia entre la energía química de
los reactivos y la de los productos.
Las reacciones de combustión son un ejemplo de las reacciones químicas en las
que se desprende energía. En este tipo de reacciones la energía química de los reactivos
es mayor que la de los productos. Si embargo también hay reacciones en las que los
productos finales tienen más energía química que las sustancias de partida.
Vamos a fijarnos en la reacción en la que se forman glucosa y oxígeno a partir de
dióxido de carbono y agua:
6 CO2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6 O2
Trata de contestar razonadamente a las siguientes preguntas sobre esta reacción:
• ¿qué sustancias crees que tienen más energía química, las de partida o las
finales?
• cuando ocurre esta reacción, ¿se convierte energía química en otros tipos de
energía o serán otros tipos de energía los que se convierten en energía química?
• ¿sabes si esa reacción ocurre realmente a nuestro alrededor? ¿sabes qué
nombre se le da al proceso?
• representa el proceso en un diagrama de energía
El fuego
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33
34
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EL FUEGO PUEDE SER PELIGROSO
Los incendios
Como si fuerais periodistas, prepara una entrevista junto con los demás
componentes de tu grupo para hacerle a un bombero que va a venir a tu clase.
Te sugerimos algunos temas:
¿qué clases de incendios son los más frecuentes?
¿cómo se apagan los incendios? ¿todos de la misma forma?
¿normas de seguridad más importantes?...
ANTES
DESPUÉS
El fuego
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Incendio en el Castillo de Windsor (20 de Noviembre de 1992)
Traemos a un bombero a clase o vamos nosotros a hacerle la entrevista al
parque de bomberos y de paso hacemos una visita por sus instalaciones.
Al final hacemos un póster donde resumimos lo más importante en relación a los
incendios.
A la vista del póster:
Discute en gran grupo (toda la clase) la relación que hay entre la información
obtenida de los bomberos y lo que acabáis de aprender sobre el fuego durante
esta unidad.
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INCINERACIÓN DE BASURAS
Uno de los métodos para eliminar las basuras que generamos es su combustión,
este proceso se conoce con el nombre de incineración (reducir algo a ceniza).
Lectura
La basura que producimos tiene una composición y unas
características variables, que dependen de numerosos factores, como:
- las características de la población: zonas rurales o núcleos
urbanos, áreas residenciales o zonas de servicios, etc.
- el clima y la estación: los residuos recogidos en verano
presentan un mayor contenido de restos de frutas y verduras, mientras que
en invierno aumentan las escorias y cenizas.
- el modo y el nivel de vida de la población: el consumo de
productos alimenticios ya preparados hace que aumente el contenido de
envases y embalajes de todo tipo: botes de conserva, vidrios, plásticos,
papeles y cartones, pero por otra parte se produce la disminución de restos
de vegetales, carnes y grasas; el mayor uso del gas y la electricidad frente
a la leña o el carbón hace disminuir el contenido de escorias y cenizas.
Los residuos sólidos urbanos están constituidos por un conjunto de
materiales muy heterogéneos. Por ello se plantea la necesidad de
reagrupar sus distintos componentes en categorías de cierta homogeneidad,
cuyo número variará evidentemente según los objetivos que cada
clasificación persiga.
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El fuego
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PAÍSES
Componentes
Alema- Bélgica Dinania
Papel y cartón
España Francia G. Bre- Holanda Irlanda Italia
marca
taña
Luxemburgo
CEE
27
30
35
16
35
30
21
33
23
25
29
Plásticos
6
7
4
6
5
3
6
4
7
5
5
Metales
5
3
4
3
5
9
3
4
3
4
5
Materia orgánica
38
44
17
52
37
30
49
31
42
57
37
Materiales inertes
13
10
8
6
8
9
16
8
7
5
10
Otros materiales
11
6
32
17
10
19
5
20
18
4
16
Tabla I. Composición de los residuos sólidos urbanos en los países de la CEE
(porcentaje en peso)
Pon ejemplos de componentes que crees que abunden más en la basura recogida
en zonas de servicios que en zonas residenciales.
En la lectura se indica que la basura se puede clasificar según varios criterios,
dependiendo de los objetivos que se persigan. Intenta clasificar los ocho
componentes de la tabla en dos categorías: los que arden y los que no arden.
arden
no arden
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38
Lectura
La incineración de residuos sólidos urbanos
La incineración es un proceso de combustión controlada que
transforma la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos en
materiales inertes (cenizas) y gases. No es un sistema de eliminación total,
pues genera cenizas, escorias y gases, pero determina una importante
reducción de peso y volumen de las basuras originales.
La reducción de peso es aproximadamente del 70% y el volumen
del 80 al 90%, dependiendo fundamentalmente del contenido de fracciones
combustibles e inertes.
Toda planta incineradora de residuos urbanos debe estar
proyectada para realizar las siguientes operaciones:
- recepción, pesaje y almacenamiento.
- alimentación y dosificación de hornos
- extracción de cenizas y escorias
- tratamiento de los gases de combustión
- transporte de escorias
Uno de los factores que condiciona la posibilidad de implantación
de un sistema de incineración es el poder calorífico de las basuras. Un
valor por encima de 1000 kcal/kg es el límite mínimo para adoptar este
sistema, ya que permite la combustión de residuos en los grandes
incineradores sin combustible adicional.
La combustión de los residuos libera una cantidad de energía
térmica que puede ser recuperada para usos como: alimentación de una
red de calefacción, producción de agua caliente, producción de energía
eléctrica, etc.
Explica en función de la composición de la basura la disminución de peso
El fuego
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ENERGÍA ELÉCTRICA PRODUCIDA POR TONELADA INCINERADA
(Datos de producción de la planta incineradora de Sant Adria de Besos, Barcelona)
(Fuente: T.E.R.S.A.)
Ejercicio
¿Cuánta agua se podría calentar desde 20 hasta 65 oC con la energía producida
por una tonelada de basura del año 1985?