Combustibles en la industria y calores de reacción

HASTA ahora nos hemos ocupado casi exclusivamente de las sustancias que aparecen o desaparecen en las transformaciones químicas y de las cantidades en que lo hacen. Pero en todas ellas entra en juego otro factor, tan importante para algunas aplicaciones de la Química como las sustancias mismas: el calor. Si bien es cierto que el estudio de esta forma de la energía corresponde a la Física, no es menos cierto que, directa o indirectamente, todo el calor que usamos proviene de transformaciones químicas, en especial de la combustión. Así, cuando calentamos un ambiente con una estufa eléctrica, la energía que consumimos es provista por una fábrica que la produce mediante una dínamo accionada por una turbina de vapor, por ejemplo. La energía del vapor que hace funcionar la turbina proviene del "llar producido por la combustión, en el hogar de la caldera, de carbón de piedra u otro combustible. En definitiva, el origen de la energía eléctrica está, en este caso, en un proceso químico, la combustión. De modo análogo llegaríamos, averiguando el origen mediato de toda cantidad de calor que usamos, a una transformación química.

CALORES DE REACCióN

Es evidente que si quemamos 1 gramo de. carbón, tendremos una cantidad de calor menor que si quemamos 1 kilogramo del mismo. Es decir, el calor desprendido (o absorbido) en una transfor-mación química depende, entre otras cosas, de las masas de sustancias que se transformen. Por este motivo no tiene sentido preguntar qué cantidad de calor se produce al quemar carbón. Es necesario agregar el dato de la cantidad que se quema. ¿Cuál será la unidad de masa usada en estos casos? Los químicos han resuelto que, por razones de comodidad, las cantidades de calor que se denominan calores de reacción, correspondan a la transformación de las masas indicadas por la ecuación de la reacción. Esto se entenderá bien con ejemplos:

H2 + C12 -----,> 2HCl + 44 000 cal.

Esto significa que cuando 1 mal de H2 se une a 1 mal de C12, y se producen 2 moles de HCl, se desprenden 44000 calorías. Esta caloría es la misma definida por la Física como la cantidad de calor necesaria para aumentar en 1°C la temperatura de 1 g de agua. La expresión

12 + H2 -----,> 2HI -12040 cal.
significa que cuando se unen 1 mal de 12 y 1 mal de H2' Y se forman 2 moles de HI (ácido yodhídrico), se absorben 12040 calorías.

En el caso de formación del HCI, el recipiente dentro del cual se produce la reacción se calienta, y calienta a su vez al medio; mientras que en el caso de la formación de HI, el recipiente y el medio se enfrían. Las reacciones que, como la primera de las citadas, se producen con desprendimiento de calor, se llaman exotérmicas, y las que, como la de formación de HI, absorben calor, se llaman endotérmicas. La circunstancia de que una reacción dada sea exotérmica o endotérmica se hace constar colocando, como lo hemos hecho, un signo más o un signo menos, respectivamente, delante del calor de reacción colocado al final de la ecuación.

Las ecuaciones en las que consta el calor de reacción, y, a veces, el estado físico de las sustancias reaccionantes y resultantes, se llaman ecuaciones termoquímicas. El lector interpretará fácilmente las ecuaciones termoquímicas que figuran en el cuadro de la página siguiente.
(aq colocado a continuación de la fórmula de una sustancia indica que esa sustancia está en solución acuosa diluida.)

Los calores de reacción así definidos y expresados reciben nombres particulares, según el tipo de reacción a que correspondan. Así, los de (4) y (5) se llaman calores de combustión; reacciones son combustiones. Los de (1), (2) Y (3) se llaman de formación, pues en dichas reacciones se forman sustancias compuestas a partir de sustancias simples. El calor de la reacción (6) se llama calor de neutralización, pues el proceso representado por ella es una neutralización de un ácido y una base.

En la industria y en la vida diaria se usan productos y sustancias, ya sean de origen natural o preparados por la actividad humana, que se llaman combustibles) y cuya finalidad es la de producir calor cuando se queman. El oxígeno que interviene en estas combustiones, que son otras tantas reacciones exotérmicas, es habitualmente el contenido en el aire ambiente, y sólo en casos excepcionales se usa el oxígeno puro. Dado que la mayor parte de los combustibles no son sustancias puras, sino materiales complejos, y que las transacciones comerciales se realizan en kilogramos, en toneladas (1000 kg), la cantidad de calor producida por un determinado combustible se expresa no mediante calores de reacción, sino con su poder calorífico. Se llama así a la cantidad de calor producida por la combustión de 1 kg de combustible.

La determinación del poder calorífico de un combustible, que es la base para fijar el precio del mismo en las transacciones comerciales de importancia, se hace por medio de la bomba calorimétrica (ver figura de la columna anterior).

Si, por ejemplo, quemamos 2 g de un combustible y obtenemos un aumento de temperatura de 3,5°C, sabiendo que la bomba más el agua de la misma necesitan 3000 calorías (que constituyen !a capacidad calorífica del aparato, o equivalente en agua) determinada por la combustión de una cantidad conocida de un combustible de poder calorífico conocido) para aumentar su temperatura en 1°C, podemos calcular el poder calorífico así: Si el combustible ha pro-ducido un aumento de 3,5°C en un sistema de cuerpos que requiere 3000 calorías para calentarse 1°C, tenemos que las calorías desprendidas serán:

3000 X 3,5 = 10 500 calorías.

Pero si 2 g de combustible desprenden al quemar en la bomba 3 000 cal., 1 kg (1 000 g) del mismo desprenderá 500 veces más.

En general los poderes caloríficos se expresan en kilocalorias o grandes calorias (1 kcal. = 1 Cal. = 1 000 caL). Con esto el poder calorífico del combusti-ble de nuestro ejemplo resulta ser 5250 Cal/kg.

Para los gases se suele dar el poder calorífico por metro cúbico medido en condiciones normales.

En las grandes transacciones de combustibles se fijan precios según el poder calorífico. Las reglamentaciones municipales exigen para el gas de alumbrado un cierto poder calorífico mínimo. Estos hechos se deben a que los combustibles se compran para obtener con ellos calor, y, por lo tanto, una cantidad dada de combustible tendrá un valor, proporcional, no a la cantidad misma, sino a la cantidad de calor que produzca su combustión, y ésta depende de su poder calorífico. En otras palabras, al comprar combustibles pagamos una cierta cantidad de dinero a cambio de calorías, y lo racional es pagar un determinado precio por la caloría y no pot el kilogramo. Con el gas de alumbrado sucede lo mismo:

Si la compañía que lo distribuye cobra tanto el metro cúbico, nos interesa que ese metro cúbico produzca, al quemar, una cantidad de calorías razonable, de acuerdo con el precio que pagamos por ellas.
A continuación estudiaremos algunos combustibles de interés industrial.

 

COMBUSTIBLES SóLIDOS

Los más utilizados son el carbón de leña (carbono con impurezas principalmente minerales: cenizas), los carbones fósiles (antracita, hulla, lignito y turba), que provienen de transformaciones milenarias de troncos de árboles que vivieron en épocas geológicas remotas, y la leña.

 

COMBUSTIBLES GASEOSOS

 

Tenemos en primer lugar los derivados del petróleo: gas natural y supergas, formados por hidrocarburos. El gas de alumbrado, o "gas" a secas, es un producto de la destilación de la hulla, de lo que nos ocuparemos en otro lugar. El gas de alumbrado tiene la siguiente composición media:

CO2 CO C2H4 H2 CH4 N2     (etileno)     .
1,1 % 9,0% 6,6%
47,0% 34,0% 2,3%    (metano)     .
De estos componentes, desde el punto de vista de la combustión, el CO2 y el N2 son inertes. La toxicidad del gas de alumbrado se debe al CO que contiene.

Otros gases combustibles importantes desde el punto de vista industrial son el gas de agua y el gas de generadores. El primero se obtiene haciendo pasar vapor de agua sobre coque, residuo de la destilación de la hulla.

De modo, pues, que este gas está formado por CO e H2 en proporciones  equimoleculares. Tiene un elevado poder calorífico. En cambio, el gas de generadores tiene un poder calorífico menor, pues está formado principalmente por CO y N2 (gas inerte, no combustible); se obtiene haciendo pasar aire por carbón calentado. El proceso se regula de modo que se forme muy poco CO2. El N 2 que hay en este gas es el del aire.
Los combustibles gaseosos se prestan para ser conducidos por cañerías y distribuídos a las casas particulares. De aquí su gran uso. También se usan algunos "motores de gas" como productores de fuerza motriz.
Para algunas aplicaciones especiales se usan, asimismo, el H2 y el acetileno (CH - CH). Este Último se prepara a partir del C2Ca, o acetileno de calcio (mal llamado habitualmente "carburo"), yagua