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Lo que se preguntan sus alumnos de 3º de la ESO – XXXIII: ¿Por qué el fuego quema?




Una entrada más en la larga misión de dar respuesta a las preguntas de los alumnos de 3º de la ESO del “profe” Lorenzo Hernández. Hoy nos toca ya la que hace el número 32 de la serie[1] que dice así: “¿Por qué el fuego quema?

Sigamos el hilo de la llama y quizás descubramos el porqué que hoy nos inquieta (Wikimedia, CC BY 3.0)

Tengo mis dudas en interpretar bien la pregunta porque bien pudiera ser que la inquietud se centre en cómo el fuego genera la sensación del dolor que conceptuamos como “quemazón”. Vamos a ir paso a paso comenzando de entrada por intentar definir qué se entiende por fuego y por quemar. Con respecto al fuego el diccionario de la Real Academia de la Lengua Española (RAE) en su primera acepción nos dice: “Fenómeno caracterizado por la emisión de calor y de luz, generalmente con llama”. Y de quemar nos dice: “Dicho del fuego, destruir algo o a alguien”. Habrá, por tanto, que estudiar a este fenómeno que destruye para entender por qué lo hace.

Vayamos por partes. Para que haya fuego es necesario que haya un material que pueda quemarse, llamado combustible, que al oxidarse de forma rápida se va a degradar, a quemar, a destruir de forma violenta transformándose en otra serie de compuestos y desprendiendo en el proceso energía y fotones en un amplio rango energético. Nos podemos preguntar el origen de esta energía que se libera: la vamos a encontrar en los enlaces químicos de las moléculas del material que forma el combustible. Los enlaces químicos no dejan de ser más que un apretón de manos, más o menos hercúleo, entre átomos. Cuando por cualquier motivo se destraba el apretón, la fuerza queda libre. Normalmente estaremos hablando de moléculas que contienen carbono, como las que nos encontramos en materiales orgánicos: podemos pensar en la madera o la carne animal, así como en sus transformados como son el petróleo, el carbón, la madera o la turba natural. O los transformados de los transformados… gasolinas, querosenos, etc.

La energía que estamos persiguiendo se va a hacer más visible tras la “combustión” del “combustible”. ¿Qué es eso de la combustión? Según nos encontramos en la Wikipedia: “La combustión se refiere a las reacciones de oxidación, que se producen de forma rápida, de materiales llamados combustibles [en nuestro caso que nos estamos centrando en materiales orgánicos] formados fundamentalmente por carbono e hidrógeno… en presencia de oxígeno [como el del aire], denominado el comburente, y con gran desprendimiento de calor.” En esos procesos el oxígeno se une con el carbono y el hidrógeno mediante el procedimiento de secuestrarles electrones (es decir, los oxida) de acuerdo a las siguientes reacciones:

C + O2 → CO2 + energía [33875kJ/kg C]

H2 + ½ O2 → H2O + energía [143330kJ/kg O2]

En otras palabras, se han desgajado las moléculas orgánicas del combustible, que simplificando bastante tienen una fórmula de ese estilo: CXHYOZ , rompiendo sus comparativamente enlaces fuertes, para formar otras moléculas de fuerza de enlace más débil, liberando el saldo de energía. Estas reacciones se pueden iniciar de forma espontánea[2], o bien con una pequeña ayudita, o ayudaza, energética, como puede ser una cerilla encendida, o la llama en el árbol de al lado que hace que el fuego pueda correr por el bosque a velocidades inimaginables.

A efectos de la pregunta del alumno de la ESO diremos que normalmente el comburente va a ser el oxígeno, que forma parte del aire en una proporción del 21% (el resto, en su mayor parte, es nitrógeno). Tras esos procesos de oxidación violenta se generan una serie de productos que formarán la llama o el humo inherente a la combustión, a la quema de los combustibles, que no sólo serán el CO2 o el H2O que nos sugieren las ecuaciones anteriores, sino que también podemos encontrar otros componentes, ya que según sean las condiciones iniciales, como por ejemplo que haya mucha humedad de partida tanto en el aire como en el combustible; que haya exceso de aire; que la combustión del carbono no sea perfecta… hará que en los humos haya además otro tipo de gases además del dióxido de carbono y el agua, que se verán mezclados con oxígeno, con nitrógeno, con monóxido de carbono (CO) o incluso con carbono molecular en forma de partículas de hollín. Ahí tenemos la base de lo que vamos a llamar la llama o el humo.

Pero ese amasijo de gases y partículas, que forman la llama o el humo, no está precisamente frío a la vista de la energía residual surgida tras las reacciones de oxidación. Lo que hace que las moléculas de los gases calientes se muevan con gran energía y choquen inevitablemente entre ellas, por lo que algunos de sus átomos van a excitarse, con el resultado posterior de que sus electrones salten a órbitas externas de mayor energía. Para poco después volver a su estado natural, hacia su posición de mínima energía, emitiendo fotones de diversas frecuencias según sea el salto energético del electrón desde su nivel excitado a su estado “normal” de reposo en el átomo.

Etapas de la combustión que nos enseñan cómo el fuego va dañando a la cerilla inicial de la izquierda. En el centro en plena deflagración de la combustión, con los gases resultantes aun a altas temperaturas. A la derecha la cerilla humea finalizando el proceso de enfriamiento (Imagen: 4ever.eu, uso no comercial)

Tenemos por tanto una transformación, desde el material que se quema y el aire necesario, a una masa de gases que si estuvieran a temperatura ambiente seríamos incapaces de ver, quizás mezclado con hollín. Pero tanto los gases como el hollín están a grandes temperaturas, incluso de 4000K, emitiendo fotones con un espectro relativamente amplio de frecuencias que, en su mayoría, pueden ir desde el infrarrojo hasta el visible. Estas últimas nos hace visible la masa de gases post-combustión en forma de una bailarina e hipnótica llama mientras que las primeras, las infrarrojas, las percibimos como calor. Al mismo tiempo el flujo visible de las partículas resultantes tras una combustión incompleta, el hollín, nos va dibujando las volutas del humo que se va dispersando en el aire.

¡Para, para! Pero qué enrolle el de jreguart con eso del fuego… si el tema iba de un “fenómeno caracterizado por la emisión de calor y de luz, generalmente con llama” [fuego]… que “destruye a algo o a alguien” [quema]. Pues eso.

Pues eso supone también el que si lo que se ha quemado es mi dedo; si en la combustión se ha destruido mi piel; si se han transformado sus proteínas y grasas repletas de carbono, o simplemente se han alterado; si se han destruido sus terminales nerviosas del dolor y la temperatura; supone que impepinablemente el proceso neuronal de la percepción dolorosa se habrá iniciado, lo que nos habrá hecho exclamar ¡ AY! ¡cómo quema el fuego![3]

Con lo apuntado en el anterior párrafo espero que haya sido capaz de dejar aclarada la respuesta a la pregunta de el porqué de que el fuego queme… en todos sus aspectos, físico y perceptual.

  1. Arriba, en el encabezamiento, pone XXXIII, pero es que la entrada introductoria nos obligó a correr una unidad en la serie. []
  2. Si tenéis curiosidad podéis acudir a esta entrada de la Wikipedia dedicada a este tipo de combustiones espontáneas. []
  3. Para los más curiosos sobre el tema de la percepción os sugiero el que acudáis a esta entrada de El Cedazo, una de las que componen la serieLos sistemas receptores“. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 2 } Comentarios

  1. Gravatar Cavaliery | 24/09/2018 at 04:01 | Permalink

    Interesante respuestac a una pregunta aparentemente tan simple. “¿Por qué el fuego quema?”, pues porque está caliente! diria yo :)

    Una pregunta… los átomos que componen el fuego (por ejemplo los de la primera figura)… son ya plasma? o simplemente átomos muy calientes?

    Saludos

  2. Gravatar jreguart | 24/09/2018 at 05:31 | Permalink

    Hola Cavaliery,

    el plasma es un estado de la materia semejante a un gas, pero en donde una buena parte de sus átomos están ionizado. Simplificando, núcleos positivos por un lado y electrones por el otro. Es decir en su interior hay regiones cargadas positivamente y otras negativamente. En tal cantidad que los campos magnéticos que generan estas regiones cargadas son capaces de contrarrestar campos magnéticos externos, algo así como que tienen un autoblindaje magnético. Pero volvamos a la llama. Dijimos que la oxidación de los materiales en el proceso generador de fuego tiene como resultado una gran energía, y unos gases compuestos de átomos y moléculas que van a gran velocidad (que es lo mismo que con gran temperatura). Dependiendo de la cantidad de energía liberada en la oxidación, las moléculas iran a más velocidad llegando el caso de que no sólo emitan fotones de calor y color, sino que en los choques entre las moléculas lleguen a arrancarse electrones, por lo que ya podemos suponer que eso se empieza a parecer a un estado de plasma. Si la energía es tal que se ionizan grandes masas de moléculas o átomos, tantas como para formar regiones de cargas positivas y regiones de cargas negativas con vida propia electromagnética, habremos llegado a una llama con plasma en alguna parte. Luego puedes imaginar ya que dependiendo del material combustible, del comburente y del ambiente en que se produce la oxidación, la temperatura puede ser flojilla o una barbaridad. Una barbaridad que cebe el nacimiento de plasma.

    Resumen: no en todas las llamas hay plasma, sólo en las suficientemente energéticas como para cebarlo y mantener regiones ionizadas “estables”. Por contra, si hay poca energía, poca temperatura, simplemente la llama es un conjunto de gases más o menos calientes. Puede pasar que junto al material que se está oxidando en la combustión la temperatura sea la suficiente como para que haya plasma, pero que más allá de la llama sólo hayan gases moderadamente calientes.

    En la llama de la figura yo juraría que es la de una hoguera y no la de un mechero de acetileno: por tanto… NO PLASMA.

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