Cuaderno de Combustion

CombustiónCálculos estequiométricos y termoquímicos

Módulo nº 2 del Programa de la asignatura Química

de la

Titulación de Ingeniero Técnico Industrial, especialidad en Mecánica.

Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial

Universidad de Vigo

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Autores

Concepción Sáa DelgadoAlfonso Fontenla Formoso

Carlos Traveso Pardo

Edición de Mayo de 2003

Química (1º de Mecánica) Combustión

Sáa, Fontenla y Traveso

Índice

REACCIONES DE COMBUSTIÓN........................1

ESTEQUIOMETRÍA................................................4

TERMOQUÍMICA...................................................6


Sáa, Fontenla y Traveso 1

REACCIONES DE COMBUSTIÓN

Combustión: Combinación de un combustible con un comburente con desprendimiento decalor.

(combustible: sustancia que arde// comburente: sustancia que hace arder ; normalmente es el O2 contenido en el aire)

CombustiónCombustión

Combustible + O2 Productos + Energía

¡Una lata!El sistema (combustible + O2) pierde energía química.

La energía perdida la encontraremos como calor o como trabajo.

La energía químicaviene a ser como una energía potencial.

Cuadro nº 1

En contraste con la mayor parte de lasreacciones que deliberadamente sellevan a cabo, esta reacción no seprovoca para obtener los productos,sino para aprovechar la energía quelibera.

Inconvenientes de los productos: Contaminantes (CO2 es gas

invernadero; SO2 es nocivopara el medio ambiente; CO estóxico).

Sus moléculas son mássimples que las de losreactantes (se pierde valorañadido).

Principio de conservación de la materia ⇒ Base de los cálculosestequiométricos

Principio de conservación de la energía ⇒ Base de los cálculostermoquímicos

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El desarrollo económico lleva implícita la necesidad de usar cantidades crecientes de energía.Buena parte de la energía consumida actualmente en el mundo se obtiene a través dereacciones de combustión y los combustibles más ampliamente empleados son los llamadoscombustibles fósiles.

Combustibles fósiles: Sustancias que se han originado por la destrucción o transformación deresiduos animales y vegetales de otras épocas geológicas. Petróleo, gas natural y carbón sonlos combustibles fósiles que se usan en mayor cantidad a escala mundial.

La formación de los combustibles fósiles ha ocurrido por efecto del calor y la presión, bajotierra, a lo largo de mucho tiempo, sobre las sustancias carbonadas que constituían losresiduos de animales y vegetales. (No se olvide que el elemento fundamental de las sustanciasorgánicas es el carbono). Estas condiciones han dado lugar a reacciones químicas que hantransformado sustancialmente la estructura de las moléculas de partida.

Petróleo: Mezcla compleja de hidrocarburos, con trazas de compuestos de azufre, nitrógeno yoxígeno, que se encuentra en la naturaleza. Se presenta como un líquido viscoso, de colormarrón oscuro. La composición varía de unos yacimientos a otros.



Los hidrocarburos que constituyen el petróleo van desde los muy volátiles, de bajo pesomolecular, a los de largas cadenas de átomos de carbono.

Para convertir el petróleo bruto en productos que sean adecuados a los diferentes usos(gasolina, gasóleo, aceites minerales, diferentes materias primas para la industria química,etc.) hay que someterlo a procesos físicos y químicos bastante complejos.

El refinado del petróleo crudo empieza por una destilación para separar fracciones según suvolatilidad. Cada fracción es una mezcla de componentes con puntos de ebullicióncomprendidos dentro de ciertoslímites. Las fracciones a obtenerse establecen según lascaracterísticas del crudo y lademanda de productos; unejemplo se muestra en la cuadronº 2.

Las fracciones brutas se sometena operaciones de refinado paramejorarlas y adecuarlas a lasdemandas del mercado.

Por ejemplo, para satisfacer laenorme demanda de gasolina esnecesario aumentar esta fracción.Esto significa que hay queproducir más hidrocarburos concadenas en torno a los 8 átomosde carbono. Para conseguir estose puede partir de fracciones más pesadas, que se someten a reacciones químicas queconllevan la rotura de cadenas de 12 ó más C. También puede conseguirse más gasolina apartir de fracciones más ligeras, que se someten a reacciones en que hidrocarburos de 3 ó 4 Cse adicionan dando moléculas con cadenas de longitud adecuada.

También es importante mejorar la calidad de la gasolina. Los hidrocarburos de cadena lineal,o poco ramificada, arden mal en los motores de combustión interna; en cambio, los de cadenamuy ramificada presentan mejores propiedades de combustión. Hay reacciones que se llevan acabo para aumentar la proporción de este tipo de hidrocarburos.

Gas natural: Mezcla de hidrocarburos gaseosos (de peso molecular bajo), constituidafundamentalmente por metano. El resto es etano, propano y butano. También contieneimpurezas con S y N, que se retiran para que resulte un combustible que arda limpiamente.

Carbón: Mezcla de compuestos de alto peso molecular y estructura química muy compleja.En buena medida, los compuestos constituyentes del carbón se desconocen; están pordeterminar. El elemento fundamental del carbón es el carbono, pero en pequeñas proporcioneshay también hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y otros muchos elementos.

El enorme y creciente consumo de combustibles fósiles produce una considerable merma desus reservas, por lo que en el futuro pueden llegar a agotarse. Por otra parte, estoscombustibles son también fuentes de importantes materias primas para la industria química,que deberían preservarse en vez de ser quemadas.

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Intervalo deebullición (°C) Fracción Nº C

<20 Gases 1 − 4

20 − 100 Naftas 5 − 7

50 − 180 Gasolinas 6 − 12

175 − 230 Queroseno 11 − 17

230 − 305 Aceite diesel, aceite de calefacción 13 − 18

305 − 405 Aceites lubricantes 18 − 25Fusión

50 − 60 °C Parafinas 23 − 39

Residuo Asfalto

Cuadro nº 2: Fracciones de petróleo



Ejercicios que repasan asuntos estudiados en el módulo 1

Le será útil consultar algunos de los libros de Química que se citan en la bibliografíarecomendada para esta asignatura. Para encontrar lo que le interesa, busque laspalabras-clave (aquí en azul) en los índices analíticos de esos libros.

- Compruebe que conoce el significado de las palabras: hidrocarburo, volatilidad,destilación, alcano, isómero.

- Relación entre estructura molecular y volatilidad:

a) Busque en la bibliografía los puntos de ebullición de los siguientes alcanos:

CH4 (metano); CH3-CH3 (etano); CH3-CH2-CH3 (propano); CH3-CH2-CH2-CH3(butano); CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 (pentano).

b) Establezca una correlación entre los puntos de ebullición y los pesos molecularesde estos alcanos y explíquela como consecuencia de las fuerzas intermoleculares.

- La fórmula molecular C8H18 corresponde a varios isómeros de octano. Represente lasestructuras moleculares de los isómeros a) y b):

a) Isómero llamado «octano normal», cuya molécula tiene todos sus carbonos en unacadena lineal (sin ramificaciones).

b) Isómero conocido como «isooctano», de molécula tan ramificada que no contienemás de un CH2; esto es, los otros C o bien son extremos, o bien están unidos amás de dos C. En este isómero el CH2 es equidistante de los dos extremos de lacadena.

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ESTEQUIOMETRÍA

La estequiometría se refiere a las leyes cuantitativas de las reacciones químicas.

Representación de una reacción Representación de una reacción químicaquímica

Reacción: Unas sustancias se transforman en otras.

Reactantes: Las sustancias que desaparecen.

Productos: Las sustancias que se forman.

Unos y otros se representan por sus fórmulasy la transformación por una flecha.

Ejemplo: . C2H6 + 3,5 O2 → 2CO2 + 3H2O

Cada una de las fórmulas representa 1 mol= 6,02·1023 moléculas.

Los átomos se conservan: En los reactantes tiene que haber el mismo número de átomos de cada clase que en los productos.

Cuadro nº 3

No sólo se conserva la materia; enlas reacciones químicas se conservatambién la naturaleza de los átomosy, en consecuencia, la masa de cadaelemento se conserva.

Por eso en las ecuaciones químicashay que ajustar los átomos de cadaclase (igual número de átomos decada elemento a un lado y al otro dela flecha).

Para ello se usan los coeficientesestequiométricos adecuados delantede las fórmulas de reactantes yproductos.

En este ejemplo, tras el ajuste de la reacción, quedan los coeficientes estequiométricos: 1, 3'5,2 y 3:

C2H6 + 3,5 O2 → 2CO2 + 3H2O

La ecuación química refleja en qué proporción reaccionan las moléculas de los reactantes y,por lo tanto, también cuál es la relación de moles.Aunque no existen medias moléculas, puede escribirse un número fraccionario porque seentiende que los coeficientes se refieren a moles.

En los compuestos que contienen carbono e hidrógeno, si la combustión es completa, todo elcarbono aparece en CO2 y todo el hidrógeno en H2O. Si la reacción es incompleta (porque eloxígeno sea insuficiente o porque el tiempo de reacción haya resultado escaso) aparecen otrosproductos de oxidación, como CO u otros compuestos de carbono con oxígeno (e hidrógeno).

Por necesidades técnicas, para que la combustión sea realmente completa, hay que aportarmás aire del que, teóricamente, según la estequiometría es necesario; o sea, que en la práctica,con la cantidad teórica de aire no se logra una combustión completa, se requiere un exceso deoxígeno que, aunque quede sin reaccionar, tiene que estar presente.

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- Calcule la cantidad de agua que se formará al reaccionar 0,2 moles de H2 con oxígenosuficiente, según: H2(g) + O2(g) → H2O(l) (sin ajustar)

- La producción de CO2 por combustión de hidrocarburos constituye un problemaambiental que centra la atención de la población. Calcule la masa de CO2 producidacuando se queman 100 g de propano (C3H8).



- En la reacción en que octano (C8H18) y oxígeno se convierten completamente en CO2 yH2O:

a) ¿qué cantidad de octano corresponde estequiométricamente a 150 g de oxígeno?b) ¿qué masa de oxígeno corresponde estequiométricamente a 100 g de octano?

Calcule qué volumen de aire, a 25 ºC y 1,0 atm, comprendería esa cantidad de oxígenosuponiendo que el aire tiene un 21% en volumen de O2.

- Un gasóleo tiene la siguiente composición en peso: 87% de C; 12,4% de H; 0,5% de S,y 0,1% de inertes (que no reaccionan). ¿Qué volumen mínimo de aire (medido encondiciones normales) se requeriría en teoría para quemar completamente 1 kg de esegasóleo, a CO2, H2O y SO2? Suponga que, para conseguir que la combustión sea deverdad completa, hay que trabajar con un 25 % más de aire. ¿Cuántos metros cúbicosde aire habrá que hacer pasar por la cámara de combustión por cada kilogramo degasóleo que se queme?

La mezcla de gases que emerge de una cámara de combustión estará formada por:• los productos de las reacciones de combustión que hayan tenido lugar;• el oxígeno en exceso, y• los gases del aire que no intervienen en estas reacciones y que forman parte del aire

portador del oxígeno.

-¿Qué composición tendría la mezcla de los gases de salida en la combustión completadel gasóleo anterior, cuando se emplea un 25 % de exceso de aire? Suponga que losinertes del gasóleo no son volátiles y que el nitrógeno del aire no reacciona en absoluto.Dé los resultados como:

a) volúmenes parciales, a 298 K y 1 atm, de los componentes de la mezcla degases que corresponde a 1 kg de gasóleo;

b) porcentajes en volumen. Como, para analizarlos, se van a secar estos gases, indique también las concentracionesde O2, CO2 y SO2 en los gases de combustión secos. Estas serían las concentracionesque daría el análisis, si la combustión en efecto ha sido completa.

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TERMOQUÍMICA

En las reacciones de combustión se libera mucha energía. Esta energía se puede usar paracalentar o para realizar trabajo.

Procesos endotérmicos: Los que ocurren con absorción de calor.Procesos exotérmicos: Los que ocurren con cesión de calor. Lasreacciones de combustión son, pues, procesos exotérmicos.

¿De dónde proviene esta energía? La energía liberada es la diferencia entre la energía quetenía el sistema antes de reaccionar (combustible y oxígeno) y la que tiene después dereaccionar (productos de la combustión).

La mayor parte de esa diferencia corresponde al cambio de energía química del sistemareaccionante.

Energía química es la energía que se puede liberar al modificarse los enlaces entre losátomos. La energía química viene a ser como una energía potencial; según sea la fuerza delas uniones, esta energía puede ser más alta o más baja. En la reacción los enlaces cambian yesto trae consigo un cambio en la energía química. En las reacciones de combustión, lasmoléculas de los productos tienen enlaces más fuertes que las de los reactantes, así que laenergía química disminuye; por eso se libera energía.

V. más adelante: Energías de enlace

Aunque, en buena medida, la energía que cambia en el sistema que reacciona se debe a losenlaces químicos, también hay cambios de energía potencial debidos a las fuerzasintermoleculares, que evidentemente también se modifican al transformarse las moléculas y alcambiar el estado físico. Así pues, la cantidad de energía que el sistema absorba o ceda alreaccionar depende en alguna medida de las condiciones en que se produzca la reacción. Paraque las indicaciones sobre los valores de energía que corresponden a una reacción tengansignificado es preciso fijar:

las cantidades el estado físico de cada reactante y cada producto la temperatura la presión

Por ejemplo, la combustión de 1 mol de metano puede representarse por la ecuación:CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l)

Productoscon enlaces“fuertes”

Reactantescon enlaces“débiles”

La energía química disminuyeSe libera energíaProceso exotérmico



La cantidad de calor que se desprende en esta reacción depende de las condiciones en las quese realice la reacción. Por ejemplo, no es exactamente lo mismo que se realice a presiónconstante que a volumen constante. Tampoco sería lo mismo que el producto final fuera vaporde agua o agua condensada.

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¿Cuál es el calor producido en la combustión de 150 g de metano, si 1 mol produce 890kJ? Qué masa de metano debe quemarse para obtener 350 kJ de calor?

(Respuestas: 8340 kJ; 6,29 g)

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Todo el conjunto de la energía interna de una muestra de materia, más el producto de suvolumen por la presión, se llama entalpía.

H = E + PV H: Entalpía; E: Energía interna; P: Presión; V: Volumen.La entalpía de una cierta muestra de materia, depende de su naturaleza y de las condiciones enlas que esté (presión, temperatura, estado físico). Es proporcional a la cantidad de materia; así,la entalpía de 2 mol de oxígeno es el doble que la de 1 mol.

∆ delante de una magnitud significa "diferencia" (si es positiva es un incremento; si negativa,un decremento).

El aumento de entalpía (∆H) que sufre un sistema que se transforma a presión constante esigual al calor (q) que absorbe en esa transformación. ∆H = q

Si hay aumento de entalpía ∆H es positivo y q es positivo y significa calor absorbido por elsistema.

Si hay disminución de entalpía ∆H es negativo y q es negativo y significa calor cedido por elsistema.

El calor de una reacción a presión constante se llama entalpía de reacción (∆H).

Por ejemplo: A 25 °C y valiendo todas las presiones parciales de los gases 1 atm, la entalpía decombustión de 1 mol de metano, resultando todo el agua en estado líquido, vale −890,4 kJ.Esto es: 1º) La entalpía final menos la entalpía inicial es igual a −890,4 kJ. 2º) El calor que selibera en esta combustión es −890,4 kJ.

1 m ol CO 2(g) + 2m ol H2O (l)

1 m ol CH4(g) + 2 m ol O 2(g)

∆Η = -890,4 kJ

kJHlOHgCOgOgCH 4,890)(2)()(2)( 2224 −=∆+→+

Cuadro nº 4

2 mol O2(g)1 atm298 K

1 mol CO2(g)1 atm298 K

1 mol CH4(g)1 atm298 K

2 molH2O(l)1atm298 K

)(2)()(2)( 2224 lOHgCOgOgCH +→+

reactantesproductos HHH Σ−Σ=∆

Cuadro nº 5



2C(grafito) + 3 H2(g) + ½ O2(g)

C2H5OH(l)

−277,7 kJ277,7 kJ

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Si el valor de la entalpía de una reacciónes ∆H, el de la entalpía de la reaccióninversa es −∆H.Por ejemplo, la descomposición de 1 molde etanol líquido en sus elementosimplica un aumento de entalpía de 277,7kJ, y la formación de 1 mol de etanollíquido a partir de sus elementos, undescenso de entalpía de 277,7 kJ.

2C(grafito) + 3 H2(g) + ½ O2(g) → C2H5OH(l) ∆H = −277,7 kJC2H5OH(l) → 2C(grafito) + 3 H2(g) + ½ O2(g) ∆H = 277,7 kJ

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El valor de la entalpía de una reacción es independiente de que se realice en un solo paso oen varios pasos.Esto quiere decir lo siguiente:Supóngase que ∆Ht es la entalpía de esta reacción: A → PSupóngase también que ∆H1, ∆H2 y ∆H3 son las respectivas entalpías de estas tres reacciones:A → B → C → PEntonces: ∆Ht = ∆H1 + ∆H2 + ∆H3

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Sabiendo que las entalpías de las reacciones de formación de 1 mol de etanol líquido y 1 mol de etanolgaseoso son las que se muestran aquí: 2C(grafito) + 3 H2(g) + ½ O2(g) → C2H5OH(l) ∆H = −277,7 kJ 2C(grafito) + 3 H2(g) + ½ O2(g) → C2H5OH(g) ∆H = −235,1 kJcalcule el valor del calor de vaporización de 1 mol de etanol.(Respuesta: 42,6 kJ)

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En otras palabras: la entalpía de un proceso no depende del camino seguido para realizarlo,sino solamente de los estados inicial y final. Así pues, aunque mientras ocurre unacombustión las presiones y la temperatura del sistema pueden variar mucho, tiene sentidoexpresar la entalpía de esa reacción referida a una temperatura y presión determinadas, porejemplo a 298 K y 1 atm, como hemos hecho más arriba para la combustión de metano, pues

−277,7 kJ−235,1 kJ

2C(grafito) + 3 H2(g) + ½ O2(g)

C2H5OH(g)

C2H5OH(l)?

Lo que se está pidiendo es la entalpía de esta conversión: C2H5OH(l) → C2H5OH(g)Si se forma 1 mol de etanol líquido a partir de grafito,hidrógeno y oxígeno y después se vaporiza el etanol, sehabrá realizado la misma conversión que si, a partir deesos mismos elementos, se hubiera formado 1 mol deetanol gaseoso. Entonces:(-277,7 kJ) + ∆H = (-235,1 kJ) ∴ ∆H = 42,6 kJ



todo el balance de entalpía que corresponde a las vicisitudes por las que haya pasado lareacción, da una variación neta de entalpía desde que los reactantes estaban a 25 °C y 1 atm,hasta que los productos también están enfriados en esas condiciones, igual que si la reacciónhubiera podido desarrollarse todo el tiempo en las mismas.

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Sabiendo las entalpías de las siguientes reacciones, a 298 K y presiones parciales de 1 atm, enlas que se forma 1 mol de los respectivos compuestos, calcule la entalpía de la combustión de1 mol de etanol líquido, que produce dióxido de carbono y agua líquida, estando todo en esasmismas condiciones de presión y temperatura. 2C(grafito) + 3 H2(g) + ½ O2(g) → C2H5OH(l) ∆H = −278 kJ C(grafito) + O2(g) → CO2(g) ∆H = −393 kJ H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆H = −286 kJ(Respuesta: -1366 kJ)

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Problemas

1 Con los datos de la tabla y sabiendo además que el calor de vaporización del agua es de 44 kJ/mol,responda a las preguntas a) y b).

∆Hcombustión(kJ/mol)

Densidad(g/mL)

Precioeuros/L

Metanol(CH3OH) − 726 0,796 1,86

Etanol(C2H5OH) − 1.368 0,806 3,25

a) Calor producido al quemar un mol de etanol si en lugar de formarse H2O(l) (producto al que corresponden losvalores de ∆Hcombustión dados en la tabla) se obtiene H2O(g).

b) Cuál de los dos combustibles sería más rentable (calcule los kJ producidos por euro gastado).

Se busca la entalpía de esta reacción:C2H5OH(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l)

Supóngase que la misma conversión se hace en dos etapas.

1.) Se descompone el etanol en sus elementos: C2H5OH(l) + 3 O2(g) → 2C(grafito) + 3 H2(g) + ½ O2(g) + 3 O2(g) ∆H = +278 kJ

2.) Se forman 2 mol de dióxido de carbono y 3 mol de agua líquida: 2 C(grafito) + 2 O2(g) → 2CO2(g) ∆H = 2 × (-393 kJ) 3 H2(g) + 1,5 O2(g) → 3 H2O(l) ∆H = 3 × (-286 kJ) ∆H de la segunda etapa: ∆H = 2 × (-393 kJ) + 3 × (-286 kJ) = -1644 kJ

Cambio total de entalpía: ∆H = (+278 kJ) + (-1644 kJ) = -1366 kJ = Entalpía de combustión

2 × (-393 kJ) + 3 × (-286 kJ) = -1644 kJ

2 CO2(g) + 3 H2O(l)

C2H5OH(l) + 3 O2(g)

2C(grafito) + 3 H2(g) + 3,5 O2(g)

278 kJ

?



Respuesta: a) −1236 kJ; b) Metanol, 9710 kJ/€.___________________

2 Esta reacción, común en los automóviles, es endotérmica, como lo indica el valor positivo del calor de reacción.N2(g) + 2 O2(g) → 2 NO2(g) ∆H = +67,6 kJAunque la molécula de nitrógeno tiene un enlace muy fuerte (:N≡N:), reacciona con oxígeno en las violentascondiciones del motor de explosión. Así pues, algo del nitrógeno del aire reacciona así, con lo que una parte dela energía producida al quemar gasolina se consume en la formación de NO2. Si los automóviles de una ciertaregión generan 3.500 kg de NO2 durante un día, ¿cuánta energía se habrá perdido en ese día debido a lageneración de ese gas contaminante?Respuesta: 2,6 GJ.___________________

3 Teniendo en cuenta que en la combustión completa de 1 mol de etanol se desprenden 1235 kJ, y suponiendoque solamente se pueda aprovechar el 70 % del calor desprendido, calcule cuánto costará calentar 200 kg deagua desde 15 °C hasta 70 °C. (Calor específico del agua líquida: 4,18 J·g−1·K−1 // Precio de 1L de etanol: 3,25€ // Densidad de etanol: 0,81 g/mL)Respuesta: 9,82 €___________________

4 Si la combustión de un compuesto de carbono ocurre con insuficiente oxígeno, se forma CO, en lugar de CO2.En el motor de combustión interna, la mayor parte de la gasolina se quema completamente, esto es, dandodióxido de carbono y agua, pero una pequeña parte sufre una combustión incompleta en la que se produce CO.Para el octano la reacción es la siguiente:2 C8H18 + 17 O2 → 16 CO + 18 H2OSabiendo que en la reacción de CO con oxígeno, que produce CO2, se liberan 283 kJ por cada mol de CO,calcule cuántos kJ más se liberan por gramo de octano, cuando este hidrocarburo se quema completamente.Respuesta: 19,8 kJ/g octano

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COMPARACIÓN DE COMBUSTIBLES

A efectos prácticos y según sea el uso que se le quiera dar al combustible, o para compararprecios de venta, es interesante considerar su entalpía específica (entalpía de combustión porgramo de combustible quemado, pero sin el signo menos) o su densidad de entalpía (entalpíade combustión por litro de combustible quemado, pero sin el signo menos).

Combustible ∆Hc Entalpía específica Densidad de entalpía*kJ/mol kJ/g kJ/L

Hidrógeno - 286 142 13Metano - 890 55 40Octano - 5471 48 3,8·104

*A presión atmosférica y a temperatura ambiente

La entalpía específica constituye un dato significativo cuando la masa tiene importancia (cohetes). Cuando debetenerse en cuenta el almacenamiento de combustible es la densidad de entalpía un factor que no debe olvidarse(la gran densidad de entalpía del octano indica que el depósito de gasolina de un automóvil no necesita sergrande para llevar una gran reserva de energía).

En la siguiente tabla se dan dos valores de poder calorífico para varios combustibles: uno grande,que corresponde al calor que se libera por kilogramo de combustible quemado si se aprovecha elcalor latente del agua formado en la combustión, y otro más pequeño, que corresponde al calorliberado por kilogramo de combustible si se deja escapar al agua como vapor. Complete la tabla conlos valores que faltan teniendo en cuenta que el calor de vaporización por mol de agua es 44 kJ.

CombustiblePoder calorífico superior

(MJ/kg)Poder calorífico inferior

(MJ/kg)

Metanol 22,69 19,94

Gas natural 53,42 48,16

Propano 50,00

Butano 49,30

Gasolina 45,85 42,95

Antracita 29,65 28,95

El valor de la entalpía específica (= poder calorífico) de un combustible depende, como se hadicho, de la fortaleza de los enlaces de sus moléculas.



Energías de enlace o entalpías de enlace

Para que todos los enlaces químicos de una molécula se rompan y queden sus átomosaislados, la molécula tiene que absorber energía. La cantidad de energía que corresponde acada enlace es su energía de enlace.

Energía de enlace (EE)

464498741351

347

414

EE(kJ/mol)

H−OO=OC=OC−O

C−C

C−H

Enlace

Energías de enlacepromedio

Cantidad de energía con la que el enlace contribuye a laestabilidad de la molécula.

E

1 mol de etano requiere para descomponerse(347kJ) + (6 x 414kJ) = 2831 kJ

C2H6 → 2C + 6H

C2H6

2C + 6H

2831 kJ

Cuadro nº 6

La energía de cada tipo de enlace varíaligeramente de unas moléculas a otras; o seaque el enlace C−H no es muy diferente enmetano, etano o hexanol. Así que la energíadel enlace C−H en muchas moléculas muydiferentes es muy parecido y por lo tanto sepuede dar como valor aproximado elpromedio de las energías de enlace que sehan determinado para el C−H en muchoscasos diferentes.

Los valores de la tabla son valores promediados a partir de muchos datos obtenidos en lasmismas condiciones: en fase gaseosa, a 1 atm y 25 ºC.

OBSERVACIÓN: El valor de la energía del enlace C=O en O=C=O, difiere significativamentedel recogido en la tabla; es 803 kJ/mol.

Se puede hacer un balance aproximado de la cantidad de energía química que se libera alcambiar los enlaces en la reacción de combustión. Para eso se utilizan los valores promedio delas energías de enlace. Véase ejemplo en el cuadro nº 7.

Son más exactos los valores calculados a partir de las entalpías de formación o de otrasreacciones, que han sido bien medidas, que los calculados mediante energías de enlace.



Ejemplo

Cálculo de la entalpía de combustión del etano C2H6(g) + 3,5 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(g)

Evaluación aproximada empleando energías de enlace

Energía necesaria para romper todos los enlaces de los reactantes6 x EE(C-H) + EE(C-C) + 3,5 x EE(O=O) = 6 x (414 kJ) + (347 kJ) + 3,5 x (498 kJ) = 4574 kJ = ∆H1

Energía liberada al formarse todos los enlaces de los productos2 x 2 x (−EE(C=O) ) + 3 x 2 x (−EE(O-H) ) = 2 x 2 x (−803 kJ) + 3 x 2 x (−464 kJ) = −5996 kJ = ∆H2

Energía liberada en la reacción ∆H = ∆H1 + ∆H2 = (4574 kJ) + (−5996 kJ) = −1422 kJ

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Cálculo empleando entalpías de formación

Se conocen las entalpías de estos procesos de formación:2 C(grafito) + 3 H2(g) → C2H6(g) ∆H = −84,86 kJC(grafito) + O2(g) → CO2(g) ∆H = −393 kJH2(g) + ½ O2(g) → H2O(g) ∆H = −242 kJ

C2H6(g) → 2 C(grafito) + 3 H2(g) ∆H = 85 kJ2 C(grafito) + 2 O2(g) → 2 CO2(g) ∆H = 2· (−393 kJ) = −786 kJ3 H2(g) + 1,5 O2(g) → 3 H2O(g) ∆H = 3· (−242 kJ) = −726 kJ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯C2H6(g) + 3,5 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(g) ∆H = 85 kJ −786 kJ −726 kJ = −1427 kJ

Cuadro nº 7

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Utilizando los valores promedio de las energías de enlace, calcule la entalpía decombustión de 1 mol de etanol y deduzca su entalpía específica.Respuestas: -1270 kJ/mol; 28 kJ/g

Procediendo de manera análoga al caso anterior, calcule para etilenglicol: a) su entalpíade combustión en kJ/mol; b) su entalpía específica en kJ/g.Respuestas: -1118 kJ/mol; 18 kJ/g

Compare los correspondientes valores de entalpía molar y de entalpía específica, paraetano, etanol y etilenglicol. Observe que cuanto mayor sea el porcentaje de oxígeno enla composición del compuesto, menor es su poder calorífico como combustible.Respuestas: -1422 kJ/mol, -1270 kJ/mol, -1118 kJ/mol y 47 kJ/mol, 28 kJ/mol, 18 kJ/mol.

Observación: El etilenglicol no sólo tiene bajo poder calorífico, sino que además nopuede arder bien, por ser poco volátil debido a que cada uno de sus carbonos posee unO-H.

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H C C

H

H

H

H

H

+ O O 3,5 2 C O O + 3 H H O

Cuaderno de Combustion

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