Reacciones de combustión: productos y ecuaciones para Química HSC
Aprende a identificar reacciones de combustión, predecir productos y ajustar ecuaciones de combustión completa e incompleta. Incluye ejemplos resueltos y preguntas originales de estilo HSC con soluciones.
Dos mecheros Bunsen pueden utilizar el mismo combustible y, aun así, producir llamas muy diferentes. Con un buen flujo de aire, la llama es azul y limpia. Si se restringe el suministro de oxígeno, la llama puede volverse amarilla, producir hollín y formar monóxido de carbono venenoso.
Antes de seguir leyendo, predice qué cambió químicamente. El combustible es el mismo, así que ¿por qué los productos no son los mismos?
La clave está en el suministro de oxígeno. La combustión no consiste simplemente en saber que un combustible reacciona con oxígeno. También tienes que decidir si hay suficiente oxígeno para que el carbono del combustible se oxide por completo.
01La primera decisión: ¿es esta una reacción de combustión?
En el curso HSC, reconoce una reacción de combustión cuando una sustancia reacciona con oxígeno, \(\ce{O2}\), y libera energía.
En el caso de los combustibles basados en carbono, los reactivos suelen tener este aspecto:
\[ \ce{combustible + O2 -> productos} \]
Un hidrocarburo contiene únicamente carbono e hidrógeno. El metano, \(\ce{CH4}\), el propano, \(\ce{C3H8}\), y el octano, \(\ce{C8H18}\), son ejemplos.
Los alcoholes, como el etanol, \(\ce{C2H5OH}\), también arden. Ya contienen oxígeno, pero aun así necesitan \(\ce{O2}\) del entorno.
La combustión es diferente de simplemente tener oxígeno en alguna parte de una ecuación. La molécula de oxígeno, \(\ce{O2}\), debe ser un reactivo en el proceso de combustión.
Si todavía estás adquiriendo confianza con la conservación de los átomos y el ajuste de ecuaciones, repasa reordenamiento de átomos en las reacciones. La misma regla controla todas las ecuaciones de este artículo: los átomos pueden reorganizarse, pero no pueden aparecer ni desaparecer.
02Piensa en el oxígeno como el recurso limitante
Imagina que cada átomo de carbono intenta salir de la reacción unido a dos átomos de oxígeno en forma de \(\ce{CO2}\). El hidrógeno suele salir unido al oxígeno en forma de agua, \(\ce{H2O}\).
Si hay suficiente oxígeno, el carbono puede oxidarse por completo a dióxido de carbono.
Si el oxígeno escasea, parte del carbono puede salir como monóxido de carbono, \(\ce{CO}\), o incluso como carbono sólido, \(\ce{C}\), que aparece como hollín.
Es un poco como asignar asientos en un autobús muy pequeño. En la situación ideal, cada carbono recibe toda la cantidad de oxígeno que necesita. Si el autobús del oxígeno ya está lleno, parte del carbono tiene que viajar con menos.
La analogía termina ahí. Los átomos no eligen con qué otros átomos unirse, y una llama real contiene muchas especies intermedias de vida muy corta. La idea útil es simplemente que la cantidad de oxígeno disponible afecta a los productos finales.
03Combustión completa
En un hidrocarburo, la combustión completa produce:
- dióxido de carbono, \(\ce{CO2}\)
- agua, \(\ce{H2O}\)
Por tanto, el patrón es:
\[ \ce{hidrocarburo + O2 -> CO2 + H2O} \]
La palabra completa se refiere a que el carbono se oxida por completo hasta formar dióxido de carbono. No significa que puedas omitir el ajuste de la ecuación.
Un orden fiable para ajustar es:
- ajustar el carbono
- ajustar el hidrógeno
- ajustar el oxígeno al final
El oxígeno se deja para el final porque aparece tanto en el dióxido de carbono como en el agua.
Ejemplo resuelto: combustión completa del etano
Escribe una ecuación ajustada para la combustión completa del etano, \(\ce{C2H6}\).
Paso 1
La combustión completa produce dióxido de carbono y agua.
\[ \ce{C2H6 + O2 -> CO2 + H2O} \]
Paso 2
Hay 2 átomos de carbono en \(\ce{C2H6}\), así que coloca un coeficiente de 2 delante de \(\ce{CO2}\).
\[ \ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + H2O} \]
Paso 3
Hay 6 átomos de hidrógeno en el etano. Cada molécula de agua contiene 2 átomos de hidrógeno, así que necesitamos 3 moléculas de agua.
\[ \ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]
Paso 4
Los productos contienen ahora:
- \(2 \times 2 = 4\) átomos de oxígeno en \(\ce{2CO2}\)
- \(3 \times 1 = 3\) átomos de oxígeno en \(\ce{3H2O}\)
En total, hay 7 átomos de oxígeno.
Como cada molécula de \(\ce{O2}\) contiene 2 átomos de oxígeno, inicialmente necesitamos \(\frac{7}{2}\ce{O2}\):
\[ \ce{C2H6 + \frac{7}{2}O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]
Paso 5
Multiplica todos los coeficientes por 2.
\[ \boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}} \]
Esta ecuación indica que 2 moles de etano necesitan 7 moles de oxígeno para la combustión completa.
04Por qué nunca debes cambiar un subíndice para ajustar una combustión
Supón que necesitas más oxígeno en el lado de los productos. No puedes convertir \(\ce{CO2}\) en \(\ce{CO3}\).
Eso no sería ajustar la ecuación. Habrías cambiado el dióxido de carbono por una fórmula química diferente.
Cambia únicamente los coeficientes, es decir, los números colocados delante de las fórmulas.
Por ejemplo:
\[ \ce{2CO2} \]
significa dos moléculas de dióxido de carbono, o dos moles de dióxido de carbono.
En cambio,
\[ \ce{CO3} \]
describiría una proporción de átomos completamente diferente.
Este es uno de los errores más comunes al ajustar ecuaciones, porque cambiar un subíndice puede hacer que el recuento de átomos parezca correcto aunque la química sea incorrecta.
05Combustión incompleta
Volvamos ahora a la llama amarilla y humeante.
Si no hay suficiente oxígeno para que todo el carbono se convierta en \(\ce{CO2}\), la combustión es incompleta.
En las reacciones simplificadas utilizadas a nivel HSC, los productos importantes que contienen carbono son:
| Condiciones de oxígeno | Producto probable que contiene carbono | Otro producto principal |
|---|---|---|
| Oxígeno suficiente | \(\ce{CO2}\) | \(\ce{H2O}\) |
| Oxígeno limitado | \(\ce{CO}\) | \(\ce{H2O}\) |
| Oxígeno muy restringido | \(\ce{C}\) como hollín | \(\ce{H2O}\) |
Las llamas reales pueden contener mezclas de \(\ce{CO2}\), \(\ce{CO}\), hollín, combustible sin quemar y otras especies. En una ecuación de examen, normalmente se proporciona suficiente información para utilizar un conjunto simplificado de productos.
Esto da lugar a una regla importante:
«Combustión incompleta» por sí sola no siempre determina una única ecuación.
Si la pregunta indica que se forma monóxido de carbono, utiliza \(\ce{CO}\). Si indica que se forma hollín o carbono, utiliza \(\ce{C}\). Si las pruebas muestran una mezcla, puede que tengas que incluir más de un producto que contenga carbono.
Ejemplo resuelto: combustión incompleta del etanol para formar monóxido de carbono
El etanol, \(\ce{C2H5OH}\), arde con un suministro restringido de oxígeno. Supón que el monóxido de carbono y el agua son los únicos productos. Escribe la ecuación ajustada.
Paso 1
\[ \ce{C2H5OH + O2 -> CO + H2O} \]
Paso 2
El etanol contiene 2 átomos de carbono, así que se forman 2 moléculas de monóxido de carbono.
\[ \ce{C2H5OH + O2 -> 2CO + H2O} \]
Paso 3
\(\ce{C2H5OH}\) contiene 6 átomos de hidrógeno en total. Por tanto, necesitamos 3 moléculas de agua.
\[ \ce{C2H5OH + O2 -> 2CO + 3H2O} \]
Paso 4
Los productos contienen:
- 2 átomos de oxígeno en \(\ce{2CO}\)
- 3 átomos de oxígeno en \(\ce{3H2O}\)
Número total de átomos de oxígeno a la derecha: \(5\).
Pero el etanol ya contiene 1 átomo de oxígeno. Eso significa que solo se necesitan otros 4 átomos de oxígeno procedentes de \(\ce{O2}\).
Dos moléculas de \(\ce{O2}\) aportan esos 4 átomos.
\[ \boxed{\ce{C2H5OH + 2O2 -> 2CO + 3H2O}} \]
El detalle importante es el oxígeno que ya está presente en el etanol. Tratar el etanol como si fuera un hidrocarburo y olvidar ese átomo de oxígeno produce un coeficiente incorrecto.
06¿Qué ocurre si se forma carbono sólido?
Supón que el metano arde con un suministro de oxígeno muy restringido y que los productos simplificados son carbono y agua.
Empieza con:
\[ \ce{CH4 + O2 -> C + H2O} \]
El carbono ya está ajustado.
Cuatro átomos de hidrógeno requieren 2 moléculas de agua:
\[ \ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O} \]
Las 2 moléculas de agua contienen 2 átomos de oxígeno, por lo que se necesita una molécula de \(\ce{O2}\):
\[ \boxed{\ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}} \]
El carbono sólido representa el hollín en este modelo simplificado.
Observa que esta reacción utiliza mucho menos oxígeno que la combustión completa:
\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]
Esa comparación resume la idea fundamental de la combustión incompleta. Hay menos oxígeno disponible, por lo que el carbono termina en una forma menos oxidada.
07Un proceso rápido de decisión para las preguntas sobre combustión
Cuando veas una ecuación de combustión, no empieces a ajustarla inmediatamente.
Primero decide qué productos están justificados químicamente.
| Lo que te indica la pregunta | Lo que debes hacer |
|---|---|
| Combustión completa de un hidrocarburo | Escribe \(\ce{CO2}\) y \(\ce{H2O}\) |
| Combustión completa de un alcohol | Escribe \(\ce{CO2}\) y \(\ce{H2O}\), y después ten en cuenta el oxígeno que ya contiene el alcohol al ajustar |
| Combustión incompleta que produce monóxido de carbono | Escribe \(\ce{CO}\) y \(\ce{H2O}\) |
| Combustión incompleta que produce hollín | Escribe \(\ce{C}\) y \(\ce{H2O}\) |
| Solo dice «combustión incompleta» | Comprueba si la pregunta aporta pruebas sobre \(\ce{CO}\), hollín o una mezcla |
| Los productos ya están indicados | No los sustituyas por los productos que esperabas. Ajusta la ecuación que realmente se proporciona |
Una vez establecidos los productos, ajusta primero el carbono, después el hidrógeno y, por último, el oxígeno.
Ese orden es un método, no una ley de la naturaleza. Simplemente es eficaz porque el oxígeno suele aparecer en varios productos.
08Un atajo útil para los hidrocarburos
Para un hidrocarburo de fórmula \(\ce{C_xH_y}\), la combustión completa puede representarse como:
\[ \ce{C_xH_y + (x + \frac{y}{4})O2 -> xCO2 + \frac{y}{2}H2O} \]
Aquí:
- \(x\) es el número de átomos de carbono en una molécula de hidrocarburo
- \(y\) es el número de átomos de hidrógeno
La fórmula se obtiene directamente de la conservación de los átomos.
Hay \(x\) átomos de carbono, por lo que necesitas \(x\ce{CO2}\).
Hay \(y\) átomos de hidrógeno, por lo que necesitas \(\frac{y}{2}\ce{H2O}\).
Esos productos determinan la cantidad de oxígeno necesaria.
Esto resulta útil para comprobar tu trabajo, pero no sustituye la comprensión del proceso de ajuste. Además, solo se aplica a los hidrocarburos. No lo utilices sin cambios para combustibles que contienen oxígeno, como el etanol.
09La combustión no es lo mismo que la síntesis
Una reacción como:
\[ \ce{2Mg + O2 -> 2MgO} \]
puede describirse como combustión porque el magnesio arde en oxígeno.
También puede ajustarse al patrón de una reacción de síntesis porque dos reactivos forman un solo producto.
Las clasificaciones de las reacciones pueden solaparse. La denominación depende de qué característica de la reacción estés analizando. Si necesitas comparar los patrones, consulta reacciones de síntesis: predicción de productos y ajuste de ecuaciones.
10El concepto erróneo que debes vigilar
Un estudiante ve las palabras «combustión incompleta del propano» e inmediatamente escribe:
\[ \ce{2C3H8 + 7O2 -> 6CO + 8H2O} \]
La ecuación está ajustada y sí representa una posible reacción simplificada de combustión incompleta.
Pero ¿se especificó realmente que se formaba monóxido de carbono?
Si no es así, la ecuación no está determinada de forma única. El propano también podría formar hollín si la restricción de oxígeno fuera más intensa, o una mezcla de \(\ce{CO2}\) y \(\ce{CO}\).
Por eso la predicción de los productos debe hacerse antes del ajuste.
Una ecuación perfectamente ajustada puede responder aun así a la pregunta química equivocada.
11Preguntas y soluciones
Pregunta 1
Un estudiante escribe la siguiente ecuación para la combustión completa del propano:
\[ \ce{C3H8 + 4O2 -> 3CO2 + 4H2O} \]
¿Está ajustada la ecuación? Si no lo está, corrígela.
Solución 1
No. La ecuación correcta es \(\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}\).
El carbono y el hidrógeno ya están ajustados:
- carbono: \(3\) átomos a cada lado
- hidrógeno: \(8\) átomos a cada lado
Ahora cuenta el oxígeno en el lado de los productos.
El \(\ce{3CO2}\) contiene \(3 \times 2 = 6\) átomos de oxígeno.
El \(\ce{4H2O}\) contiene \(4 \times 1 = 4\) átomos de oxígeno.
Por tanto, los productos contienen:
\[ 6 + 4 = 10 \text{ átomos de oxígeno} \]
Cada molécula de \(\ce{O2}\) contiene 2 átomos de oxígeno, por lo que:
\[ \frac{10}{2}=5 \]
Por tanto:
\[ \boxed{\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}} \]
La ecuación original solo tenía 8 átomos de oxígeno en el lado de los reactivos, así que no conservaba los átomos de oxígeno.
Pregunta 2
El metanol, \(\ce{CH3OH}\), experimenta una combustión completa. Predice los productos y escribe una ecuación ajustada.
Solución 2
Los productos son dióxido de carbono y agua, y la ecuación ajustada es \(\ce{2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O}\).
Empieza con los productos de la combustión completa:
\[ \ce{CH3OH + O2 -> CO2 + H2O} \]
Una molécula de metanol contiene 1 átomo de carbono y 4 átomos de hidrógeno, por lo que:
\[ \ce{CH3OH + O2 -> CO2 + 2H2O} \]
Los productos contienen 4 átomos de oxígeno en total:
- 2 en \(\ce{CO2}\)
- 2 en \(\ce{2H2O}\)
El metanol ya aporta 1 átomo de oxígeno, así que se necesitan otros 3 átomos de oxígeno procedentes de \(\ce{O2}\):
\[ \ce{CH3OH + \frac{3}{2}O2 -> CO2 + 2H2O} \]
Multiplica todos los coeficientes por 2:
\[ \boxed{\ce{2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O}} \]
La principal trampa es olvidar el átomo de oxígeno que ya está presente en \(\ce{CH3OH}\).
Pregunta 3
El butano, \(\ce{C4H10}\), experimenta una combustión incompleta. El análisis muestra que el monóxido de carbono es el único producto que contiene carbono. Escribe una ecuación ajustada.
Solución 3
La ecuación ajustada es \(\ce{2C4H10 + 9O2 -> 8CO + 10H2O}\).
Como se especifica que se forma monóxido de carbono, escribe:
\[ \ce{C4H10 + O2 -> CO + H2O} \]
Ajusta los 4 átomos de carbono:
\[ \ce{C4H10 + O2 -> 4CO + H2O} \]
Ajusta los 10 átomos de hidrógeno:
\[ \ce{C4H10 + O2 -> 4CO + 5H2O} \]
Los productos contienen ahora:
\[ 4 + 5 = 9 \text{ átomos de oxígeno} \]
Eso requiere \(\frac{9}{2}\ce{O2}\):
\[ \ce{C4H10 + \frac{9}{2}O2 -> 4CO + 5H2O} \]
Multiplica todos los coeficientes por 2:
\[ \boxed{\ce{2C4H10 + 9O2 -> 8CO + 10H2O}} \]
La ecuación utiliza menos oxígeno que la combustión completa porque el carbono forma \(\ce{CO}\) en lugar de oxidarse por completo hasta \(\ce{CO2}\).
Pregunta 4
Una pregunta solo indica que el pentano, \(\ce{C5H12}\), experimenta una combustión incompleta.
Un estudiante escribe:
\[ \ce{2C5H12 + 11O2 -> 10CO + 12H2O} \]
¿Es esta la única ecuación ajustada posible para la combustión incompleta? Explica tu respuesta y proporciona otra posibilidad simplificada.
Solución 4
No. La ecuación del estudiante es una ecuación simplificada válida de combustión incompleta, pero no es la única posibilidad.
La combustión incompleta significa que no hay suficiente oxígeno para que todo el carbono se oxide por completo hasta \(\ce{CO2}\). Dependiendo de las condiciones, puede formarse monóxido de carbono, carbono sólido o una mezcla de productos.
Por ejemplo, si la pregunta indica que se forma carbono sólido, una ecuación simplificada es:
\[ \ce{C5H12 + O2 -> C + H2O} \]
Ajusta el carbono y el hidrógeno:
\[ \ce{C5H12 + O2 -> 5C + 6H2O} \]
Las 6 moléculas de agua contienen 6 átomos de oxígeno, lo que requiere 3 moléculas de oxígeno:
\[ \boxed{\ce{C5H12 + 3O2 -> 5C + 6H2O}} \]
Tanto esta ecuación como la ecuación del estudiante que produce monóxido de carbono describen una combustión incompleta bajo supuestos simplificados.
La trampa consiste en suponer que la expresión combustión incompleta significa automáticamente solo monóxido de carbono. Se necesita más información sobre los productos para obtener una ecuación única.
Pregunta 5
Dos recipientes sellados contienen inicialmente la misma cantidad de propano.
Después de la ignición, el recipiente A contiene únicamente dióxido de carbono y agua. No queda propano ni oxígeno.
El recipiente B contiene agua, dióxido de carbono, monóxido de carbono y algo de propano sin reaccionar.
Un estudiante afirma que el recipiente A necesariamente debía contener inicialmente oxígeno en exceso porque su combustión fue completa.
Evalúa la afirmación.
Solución 5
La afirmación es incorrecta. El recipiente A necesitaba suficiente oxígeno para que se produjera una combustión completa, pero la información no demuestra que hubiera oxígeno en exceso.
La combustión completa del propano es:
\[ \ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O} \]
Por tanto, la proporción estequiométrica es:
\[ 1\text{ mol }\ce{C3H8}:5\text{ mol }\ce{O2} \]
Si el recipiente A comenzó con exactamente 5 moles de oxígeno por cada mol de propano, ambos reactivos podrían consumirse por completo, dejando únicamente dióxido de carbono y agua.
Eso coincide con la observación de que no quedó ni propano ni oxígeno.
Un exceso de oxígeno significaría que se suministró más oxígeno del que requería la reacción. Si ese exceso permaneciera después de la reacción, el oxígeno aparecería entre las sustancias finales.
El recipiente B tenía una cantidad insuficiente de oxígeno disponible para una combustión completa. Por tanto, parte del carbono formó \(\ce{CO}\) en lugar de formar únicamente \(\ce{CO2}\), y parte del propano quedó sin reaccionar.
El error conceptual consiste en tratar «combustión completa» y «oxígeno en exceso» como si fueran ideas idénticas. La combustión completa requiere suficiente oxígeno para oxidar por completo el combustible que reacciona. La cantidad estequiométrica exacta puede ser suficiente.
Pregunta 6
Un mol de butano, \(\ce{C4H10}\), reacciona con exactamente \(5.50\) moles de \(\ce{O2}\).
Supón que todo el butano reacciona y que los únicos productos son \(\ce{CO2}\), \(\ce{CO}\) y \(\ce{H2O}\).
Determina la cantidad, en moles, de \(\ce{CO2}\) y \(\ce{CO}\) producida.
Solución 6
La reacción produce \(2.00\) mol de \(\ce{CO2}\) y \(2.00\) mol de \(\ce{CO}\).
Empieza con el hidrógeno.
Un mol de \(\ce{C4H10}\) contiene 10 moles de átomos de hidrógeno. Estos forman:
\[ \frac{10}{2}=5.00\text{ mol }\ce{H2O} \]
Por tanto, se producen 5.00 moles de agua.
Los \(5.50\) moles originales de \(\ce{O2}\) contienen:
\[ 5.50 \times 2 = 11.0\text{ mol de átomos de oxígeno} \]
El agua utiliza 5.00 moles de átomos de oxígeno, por lo que quedan:
\[ 11.0-5.00=6.00\text{ mol de átomos de oxígeno} \]
para los productos que contienen carbono.
Sea \(a\) el número de moles de \(\ce{CO2}\) y \(b\) el número de moles de \(\ce{CO}\).
Hay 4 moles de átomos de carbono procedentes de un mol de butano, por lo que:
\[ a+b=4 \]
Los óxidos de carbono deben contener los 6 moles restantes de átomos de oxígeno:
\[ 2a+b=6 \]
Resta la primera ecuación de la segunda:
\[ (2a+b)-(a+b)=6-4 \]
por tanto:
\[ a=2 \]
Después:
\[ b=4-2=2 \]
Por tanto:
\[ \boxed{2.00\text{ mol }\ce{CO2}} \]
y
\[ \boxed{2.00\text{ mol }\ce{CO}} \]
Una ecuación ajustada que representa la misma proporción es:
\[ \boxed{\ce{2C4H10 + 11O2 -> 4CO2 + 4CO + 10H2O}} \]
La idea importante es que la combustión incompleta no tiene por qué producir una sola forma de carbono. Cuando el suministro de oxígeno se encuentra entre las cantidades necesarias para distintos conjuntos idealizados de productos, una mezcla de \(\ce{CO2}\) y \(\ce{CO}\) puede cumplir la conservación tanto del carbono como del oxígeno.
Una vez que puedas elegir los productos correctos de la combustión antes de ajustar la ecuación, el siguiente paso útil es relacionar estas ecuaciones con la estequiometría. Una ecuación de combustión ajustada hace algo más que conservar los átomos. Sus coeficientes indican las proporciones molares necesarias para calcular los requisitos de oxígeno, el consumo de combustible y las cantidades de productos formados.