Reacciones Químicas Endotérmicas y Exotérmicas

Temario de bomberos: reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas

Resumen operativo de calor de reacción, combustión, reacciones oxidantes, ignición, explosiones, límites de inflamabilidad, punto de inflamación, catalizadores e inhibidores y materiales estables e inestables.

Índice de contenido:

Calor de reacción y reacciones endotérmicas.
Combustión y combustión confinada.
Reacciones oxidantes y combustibles prototipo.
Ignición provocada y auto-ignición - temperatura de ignición.
Explosiones y tipos de mezclas.
Límites de inflamabilidad y temperaturas de inflamación.
Punto de inflamación.
Catalizadores e inhibidores.
Materiales estables e inestables.
Test de examen: reacciones químicas.

1. Calor de reacción - reacciones endotérmicas y exotérmicas

Calor de reacción es la energía absorbida o emitida durante una reacción química.

En las reacciones endotérmicas, las sustancias nuevas formadas contienen más energía que los materiales reaccionantes, por lo tanto, hay absorción de energía. Aunque la energía puede adoptar formas muy variadas, las reacciones químicas absorben o liberan energía, generalmente en forma de calor.

🔥 Concepto clave para examen:

• Exotérmica: libera calor (la combustión).
• Endotérmica: absorbe calor (productos con más energía que reactivos).

2. Combustión

La combustión es una reacción exotérmica autoalimentada con presencia de un combustible en fase sólida, líquida y/o gaseosa.

El proceso está generalmente (aunque no necesariamente) asociado con la oxidación de un combustible por el oxígeno atmosférico con emisión de luz. Generalmente, los combustibles sólidos y líquidos se vaporizan antes de arder. A veces un sólido puede arder directamente en forma de incandescencia o rescoldos. La combustión de una fase gaseosa generalmente se produce con llama visible.

Una combustión confinada con una súbita elevación de presión constituye una explosión.

3. Reacciones oxidantes - combustibles prototipo

Las reacciones oxidantes relacionadas con los incendios son exotérmicas, lo que significa que el calor es uno de sus productos. A menudo son reacciones complejas y no las conocemos por completo.

Una reacción de oxidación exige la presencia de un material combustible y de un agente oxidante. Los combustibles son innumerables materiales que, debido a su composición química, se pueden oxidar para producir otros compuestos relativamente estables, como dióxido de carbono y agua.

Ejemplo: C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O

Los hidrocarburos, como el propano (C₃H₈), constan únicamente de carbono e hidrógeno y se pueden considerar combustibles prototipo. Prácticamente todos los combustibles corrientes, sean sólidos, líquidos o gaseosos, contienen importantes proporciones de carbono e hidrógeno.

En este contexto, el agente oxidante más corriente es el oxígeno molecular del aire, que consta aproximadamente de un quinto de oxígeno y cuatro quintos de nitrógeno.

Sin embargo hay ciertos productos químicos que son potentes oxidantes, como el nitrato sódico (NaNO₃) y el clorato potásico (KClO₃), que si se mezclan íntimamente con un combustible sólido o líquido, producen una mezcla que reacciona fuertemente.

Así, la pólvora es una mezcla física de carbono y azufre (el combustible) con nitrato sódico (el oxidante). Si los grupos reactivos, como el de los nitratos, se incorporan químicamente a un combustible, como el nitrato de celulosa o el trinitrotolueno (TNT), la mezcla resultante puede ser muy inestable y, en condiciones adecuadas, se descompondrá violentamente.

Hay circunstancias en las que intervienen especies reactivas en las que la combustión puede darse sin oxígeno. Así, los hidrocarburos pueden “quemarse” en una atmósfera de cloro o el polvo de zirconio puede arder en dióxido de carbono puro.

4. Ignición - provocada y auto-ignición

Ignición constituye el fenómeno que inicia la combustión autoalimentada.

Ignición provocada: producida al introducir una pequeña llama externa, chispa o brasa incandescente.
Auto-ignición: sin foco externo.

La temperatura mínima que necesita alcanzar una sustancia para inflamarse representa la temperatura de ignición. Generalmente, la temperatura de ignición provocada de una sustancia es mucho menor que la temperatura de auto-ignición.

Para que las moléculas del combustible y del oxígeno puedan reaccionar químicamente produciendo calor, hay que excitarlas de forma que alcancen un cierto estado de actividad. Esta actividad puede provocarse mediante otras moléculas excitadas por una llama o chispa cercana, o elevando la temperatura general. Al comenzar la reacción química, el combustible y el oxígeno producen un número de especies excitadas, así como calor.

Si la cantidad de combustible y de oxígeno es suficiente y el número de especies excitadas es también adecuado, la ignición adopta la forma de una reacción en cadena, dado que la velocidad de producción de moléculas activadas supera la tasa natural de desactivación.

Una vez iniciada la ignición continuará hasta consumir todo el combustible u oxidante existente, o hasta que la llama se apague por enfriamiento, por disminución del número de moléculas excitadas o por otras causas.

En general, una ignición autoalimentada puede tener lugar sólo en situaciones capaces de mantener la combustión autoalimentada. Por ejemplo, si la presión ambiente (o la concentración ambiente del material oxidante) no es suficiente para mantener la combustión, tampoco bastará para la ignición.

⚠️ Operativo bomberos:

En líquidos y sólidos combustibles, la iniciación de la llama se produce en la fase gaseosa. Primero hay que suministrar calor para convertir parte del combustible en vapor, creando una mezcla inflamable vapor-aire cerca de la superficie. En líquidos es evaporación, en sólidos es descomposición química previa.

Generalmente podemos identificar una temperatura mínima de un sólido o líquido capaz de generar una mezcla inflamable cerca de su superficie. En combustibles líquidos se define como punto de ignición (temperatura del líquido a granel). En sólidos, como temperatura superficial. Estas son temperaturas de ignición provocadas, porque se necesita un agente externo y sólo se quemará la mezcla aire-vapor inflamable. Para que el combustible siga ardiendo una vez consumida la mezcla, es necesaria una temperatura algo mayor.

La temperatura necesaria para provocar la ignición de sólidos y líquidos puede estar condicionada por:

el caudal de aire (oxidante)
por el grado de calentamiento y
por el tamaño y forma del sólido o líquido.

Por lo tanto, las temperaturas de ignición conocidas dependen, en cierto modo, de los métodos de ensayo utilizados en cada caso.

En general, las temperaturas de ignición de las mezclas gaseosas dependen de la composición, presión ambiente, volumen de la mezcla y forma del recipiente, así como de la naturaleza y energía del agente que provoca la inflamación.

Cada mezcla de aire-combustible posee una presión mínima específica y los valores inferiores a esta presión no permiten la ignición. Al aumentar la temperatura, la cantidad de energía necesaria para provocar la ignición es cada vez menor y, cuando la temperatura alcanza un nivel suficientemente elevado, la mezcla arde espontáneamente. Esta temperatura se denomina autoignición (o inflamación espontánea).

La temperatura de autoignición de un combustible gaseoso depende también de su composición y presión, pero es muy sensible al tamaño y forma del recipiente en el que se haga la medida. Las diferencias en los aparatos de ensayo pueden llevar a importantes diferencias en los resultados.

5. Explosiones

Generalmente, las explosiones se producen en situaciones donde el combustible y el agente oxidante se mezclan íntimamente antes de la ignición. En consecuencia, la reacción de la combustión progresa con gran rapidez al no existir la necesidad previa de mezcla.

Si se confinan gases premezclados, su tendencia a la expansión durante la combustión puede provocar un súbito aumento de la presión y dar lugar a una explosión.

Por el contrario, los incendios generalmente se producen en situaciones en las que la mezcla de combustible y oxidante se controla por el propio proceso de combustión. Como resultado, la velocidad de combustión por unidad de volumen es muy inferior y no se produce el rápido aumento de presión que caracteriza las explosiones.

Para que surja la ignición, la concentración de combustible en cada atmósfera oxidante tiene que ser la adecuada. Una vez iniciada, se necesita la aportación continuada de combustible y oxidante para que continúe la combustión.

En casos de gases, vapores, nieblas, espumas o polvos combustibles la atmósfera puede contener:

mezclas homogéneas (uniformes) y
heterogéneas (no uniformes).

La mezcla homogénea es la formada por componentes mezclados de manera íntima y uniforme de modo que una pequeña muestra representa verdaderamente la totalidad de la mezcla. La composición de la mezcla homogénea inflamable fluctúa entre los límites de la inflamabilidad del gas o vapor, niebla, espuma o polvo combustible, contenido en la atmósfera del lugar, a presión y temperatura determinada.

Para que empiece a quemarse un combustible mezclado previamente con aire, la concentración de combustible debe estar dentro de los límites de inflamabilidad. Una vez producida la ignición, la llama se propagará a través de la mezcla sin quemar hasta que toda la mezcla inflamable se consuma.

6. Límites de inflamabilidad

Los límites de inflamabilidad son los límites máximo y mínimo de la concentración de un combustible dentro de un medio oxidante, por lo que la llama, una vez iniciada, continúa propagándose a presión y temperatura especificadas.

Por ejemplo, las mezclas de aire e hidrógeno permiten la propagación de la llama si la concentración de hidrógeno se encuentra entre el 4% y el 74% en volumen, a 21ºC y a presión atmosférica.

La cifra menor corresponde al valor límite mínimo (mezcla pobre) y la mayor al límite máximo (mezcla rica) de la inflamabilidad. Al aumentar la temperatura de la mezcla se ensancha el margen de inflamabilidad; al disminuir, el margen se estrecha.

Si los combustibles líquidos están en equilibrio con sus vapores en el aire, cada combustible presenta una temperatura mínima por encima de la cual hay vapor en cantidad suficiente para formar una mezcla inflamable de vapor aire.

Asimismo, hay una temperatura máxima por encima de la cual la concentración del vapor combustible es demasiado elevada para propagar la llama.

Estas temperaturas mínimas y máximas son denominadas, respectivamente, temperatura mínima y máxima de inflamación en el aire.

Si las temperaturas son inferiores a la temperatura más baja de inflamación, el vapor del combustible en la fase gaseosa no es suficiente para permitir la ignición homogénea. Las temperaturas de inflamación de un líquido combustible aumentan al hacerlo la presión ambiente.

7. Punto de inflamación

La temperatura más baja que necesita un líquido contenido en un recipiente abierto para emitir vapores en proporción suficiente para permitir la combustión continuada se denomina punto de inflamación.

Esta temperatura generalmente es superior en unos cuantos grados a la temperatura más baja de inflamación. En los combustibles usuales, la velocidad mínima de producción de vapores necesaria para permitir la combustión oscila alrededor de 2 gramos/m² segundo.

Debemos señalar que el fuego puede propagarse sobre líquidos cuyas temperaturas son muy inferiores a sus temperaturas de inflamación más bajas, si existe previamente un foco de ignición. En estos casos, el foco de ignición, o el propio fuego, calientan la superficie del líquido en la zona, de modo que aumenta su temperatura por encima del punto de inflamación.

8. Catalizadores e inhibidores

Catalizador: es una sustancia cuya presencia, aun en pequeña cantidad, incrementa fuertemente la velocidad de una reacción, pero sin experimentar en sí misma ningún cambio tras la reacción.

Sirva de ejemplo la pequeña cantidad de platino existente en el convertidor catalítico de un automóvil, que es responsable de la total consunción del combustible residual, sin que aquél experimente variación alguna.

Inhibidores, también llamados estabilizadores, son productos químicos que pueden agregarse en pequeñas cantidades a una materia inestable para impedir una reacción vigorosa.

Por ejemplo, la polimerización prematura del monómero de estireno se inhibe con la adición de por lo menos 10 ppm (partes por millón) de butilcatecol terciario (TBC). Los materiales ignífugos actúan generalmente como inhibidores. Por ejemplo, al agregar a los materiales de plástico pequeñas cantidades de compuestos de cloro o bromo, se reduce su inflamabilidad y su capacidad para la propagación de llamas pequeñas. A menudo, los materiales ignífugos son menos eficaces en los incendios de grandes proporciones.

9. Materiales estables e inestables

Materiales estables: se denomina así a "Aquellos que normalmente no experimentan cambios en su composición química aunque estén expuestos al aire, agua, calor, golpes o presiones."

Sin embargo, los materiales estables pueden arder. Por ejemplo, la mayoría de los materiales sólidos pertenecen a esta categoría.

Materiales inestables: expuestos al aire, agua, calor, golpes o presiones se polimerizan, descomponen, condensan o reaccionan por sí mismos. Por ejemplo, la descomposición del acetileno, la hidracina, o el óxido de etileno puede originar explosiones violentas.