La Combustión

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INTRODUCCIÓN

Proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles comunes, el proceso consiste en una reacción química con el oxígeno de la atmósfera que lleva a la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, que proceden de los componentes menores del combustible. El término combustión, también engloba el concepto de oxidación en sentido amplio. El agente oxidante puede ser ácido nítrico, ciertos percloratos e incluso cloro o flúor.

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LIBERACIÓN DE ENERGÍA

La mayoría de los procesos de combustión liberan energía (casi siempre en forma de calor), que se aprovecha en los procesos industriales para obtener fuerza motriz o para la iluminación y calefacción domésticas. La combustión también resulta útil para obtener determinados productos oxidados, como en el caso de la combustión de azufre para formar dióxido de azufre y ácido sulfúrico como producto final. Otro uso corriente de la combustión es la eliminación de residuos.

La energía liberada durante la combustión provoca una subida de temperatura en los productos. La temperatura alcanzada dependerá de la velocidad de liberación y disipación de energía, así como de la cantidad de productos de combustión. El aire es la fuente de oxígeno más barata, pero el nitrógeno, al constituir tres cuartos del aire en volumen, es el principal componente de los productos de combustión, con un aumento de temperatura considerablemente inferior que en el caso de la combustión con oxígeno puro. Teóricamente, en toda combustión sólo se precisa añadir una mínima porción de aire al combustible para completar el proceso. Sin embargo, con una mayor cantidad de aire, la combustión se efectúa con mayor eficacia y aprovechamiento de la energía liberada. Por otra parte, un exceso de aire reducirá la temperatura final y la cantidad de energía liberada. En consecuencia habrá de establecerse la relación aire-combustible en función de la temperatura y del grado de combustión deseados. Para lograr altas temperaturas se puede utilizar aire rico en oxígeno, o incluso oxígeno puro, como en el caso de la soldadura oxiacetilénica (véase Acetileno). El grado de combustión se puede aumentar partiendo el material combustible para aumentar su superficie y de este modo incrementar su velocidad de reacción. También se consigue dicho aumento añadiendo más aire para proporcionar más oxígeno al combustible. Cuando se necesita liberar energía de modo instantáneo, como en el caso de los cohetes, se puede incorporar el oxidante directamente al combustible durante su elaboración.

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COMBUSTIBLES SÓLIDOS

Por orden de potencial calorífico, los combustibles sólidos más comunes son: el carbón, el coque, la madera, el bagazo de caña de azúcar y la turba. La combustión de estos materiales provoca la descomposición del combustible y la formación de materias volátiles como el gas, que arden con una llama tiznosa. Los residuos de sólidos carbónicos arden dependiendo de la difusión de oxígeno en su superficie. Esta combustión precisa una temperatura en la superficie que oscile entre 400 y 800 °C, que se puede conseguir por la radiación del calor procedente de un objeto o medio de temperatura elevada. Al quemar combustible en una chimenea, el aire debe ir atravesando el combustible sólido, y la temperatura necesaria se mantiene por radiación entre las partículas. Al objeto de lograr una combustión más rápida, al carbón se le añade aire y se le trata en un horno. La relación aire-combustible necesaria dependerá fundamentalmente del tipo de combustible empleado; así 1 kg de carbón común bituminoso requiere un mínimo de 11 kg de aire para completar la combustión. En el caso del carbón activado, la temperatura de las llamas puede llegar a los 1.540 °C. Si se quema carbón en polvo fino (polvo de carbón) o un hidrocarburo en circunstancias no controladas, la combustión se produce con gran rapidez, casi como una explosión. Ejemplos de estos procesos de combustión acelerada son los incendios en minas causados por el polvo de carbón. Véase Minería.

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COMBUSTIBLES LÍQUIDOS Y GASEOSOS

Los combustibles líquidos más comunes son el fuel, la gasolina y las naftas derivadas del petróleo. Les siguen en importancia el alquitrán de hulla, el alcohol y el benzol obtenido en el proceso de elaboración de coque. En los hornos fijos se introduce fuel poco volátil en la cámara de combustión a través de unas boquillas, ya sea en presencia de vapor y aire o sin ella. En un motor de combustión interna, los combustibles volátiles como la gasolina o las mezclas de alcohol y gasolina (gasolina reformada) se evaporan y la mezcla penetra en el cilindro del motor, donde la combustión se provoca con una chispa. En el caso de estos combustibles se precisan entre 16 y 23 kg de aire para la combustión de 1 kg de combustible. En los motores diesel, el combustible se introduce en forma de lluvia atomizada en la cámara de combustión, donde el aumento de temperatura asociado con el nivel de compresión de dichos motores, es suficiente para provocar el encendido.

A los combustibles gaseosos como el gas natural, el gas refinado o los gases manufacturados, se les añade aire antes de la combustión para proporcionarles una cantidad suficiente de oxígeno. La mezcla de aire y combustible surge del quemador a una velocidad mayor que la de la propagación de la llama, evitando así el retroceso de ésta al quemador, pero permitiendo el mantenimiento de la llama en éste. Estos combustibles, en ausencia de aire, arden con llamas relativamente frías y humeantes. Cuando el gas natural arde en el aire alcanza temperaturas que superan los 1.930 °C.

Los cohetes espaciales suelen utilizar combustibles líquidos como el queroseno y la hidracina, y contienen oxidantes como el oxígeno líquido, el ácido nítrico o el peróxido de hidrógeno. Los lanzacohetes militares emplean combustibles sólidos como la cordita, a los que se incorpora oxígeno; éstos arden espontáneamente al calentarse por la radiación de los productos de la combustión.

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INVESTIGACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES

Al ser la combustión un elemento clave en la producción de energía, se destinan grandes esfuerzos a la investigación y descubrimiento de procesos más eficaces para quemar combustibles. Otra parte del esfuerzo de los investigadores se dirige a conseguir reducir la cantidad de contaminantes que se liberan durante la combustión, pues estos productos son causa de importantes problemas de deterioro medioambiental como la lluvia ácida. En los laboratorios de combustión, los científicos se valen de complejos sistemas láser para el estudio de los motores y sistemas de combustión, con el fin de detectar fugas de combustible y mejorar tales sistemas. También es frecuente el uso del láser en pruebas destinadas a clarificar los procesos químicos que tienen lugar en las llamas, a fin de comprender mejor las formas y usos del fuego.

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Isótopos

INTRODUCCIÓN

Isótopo, una de las dos o más variedades de un átomo que tienen el mismo número atómico, constituyendo por tanto el mismo elemento, pero que difieren en su número másico. Puesto que el número atómico es equivalente al número de protones en el núcleo, y el número másico es la suma total de protones y neutrones en el núcleo, los isótopos del mismo elemento sólo difieren entre ellos en el número de neutrones que contienen. Véase Átomo.

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INVESTIGACIÓN

A principios del siglo XX se realizaron experimentos que indicaban que las sustancias radiactivas químicamente inseparables se podrían diferenciar sólo en la estructura de sus núcleos. El físico británico Joseph J. Thomson demostró en 1912 la existencia de isótopos estables pasando neón a través de un tubo luminoso y desviando los iones de neón por medio de campos eléctricos y magnéticos; esto demostró que el elemento estable neón existe en más de una forma. Thomson encontró dos isótopos del neón de números másicos 20 y 22. Posteriores experimentos demostraron que el neón existente en la naturaleza contiene un 90% de neón 20 (el isótopo de número másico 20), un 9,73% de neón 22 y un 0,27% de neón 21. Numerosos científicos continuaron las investigaciones sobre los isótopos, en concreto el físico británico Francis William Aston. El trabajo para detectar y estudiar los isótopos se intensificó con el desarrollo del espectrómetro de masas.

Actualmente se sabe que la mayoría de los elementos en estado natural consisten en una mezcla de dos o más isótopos. Entre las excepciones se encuentran el berilio, el aluminio, el fósforo y el sodio. La masa atómica química de un elemento es el promedio de las masas atómicas individuales, o números másicos, de sus isótopos. Por ejemplo, el cloro, cuya masa atómica es 35,457, está compuesto por cloro 35 y cloro 37, en una proporción del 76 y el 24% respectivamente. Todos los isótopos de los elementos con un número atómico superior a 83 (por encima del bismuto en el sistema periódico) son radiactivos, y también lo son algunos de los isótopos más ligeros, por ejemplo, el potasio 40. Se conocen unos 280 isótopos estables (no radiactivos) existentes en la naturaleza. Véase Radiactividad.

Los isótopos radiactivos artificiales, conocidos también como radioisótopos, fueron producidos por vez primera en 1933 por los físicos franceses Irène y Frédéric Joliot-Curie. Los radioisótopos se obtienen bombardeando átomos existentes en la naturaleza con partículas nucleares como neutrones, electrones, protones y partículas alfa, utilizando aceleradores de partículas.

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SEPARACIÓN

La separación de los isótopos de un mismo elemento es difícil. La separación total en una sola fase por métodos químicos es imposible, porque los isótopos de un mismo elemento tienen las mismas propiedades químicas. Los métodos físicos se basan generalmente en las minúsculas variaciones de sus propiedades físicas, debidas a las diferencias en la masa de los isótopos. Los primeros isótopos que se separaron en cantidades apreciables fueron los del hidrógeno: el deuterio (hidrógeno 2) y el hidrógeno común (hidrógeno 1). Este logro se le adjudica al químico estadounidense Harold C. Urey, que descubrió el deuterio en 1932.

Antes de 1940 se utilizaron varios métodos para separar pequeñas cantidades de isótopos en el curso de las investigaciones. Entre los más eficaces se encontraban: el método de centrifugación, la destilación fraccionada, la difusión térmica, la electrólisis, la difusión gaseosa y la separación electromagnética. Todos estos métodos dependen de la pequeña diferencia en masa de los isótopos a separar, y son más efectivos con los isótopos del hidrógeno, en los que la diferencia en masa entre las dos sustancias llega a ser de un 100%; en cambio, la diferencia en masa entre los isótopos del carbono, el carbono 12 y el carbono 13, o entre los isótopos del neón, el neón 20 y el neón 22 sólo llega a ser de un 10%. Lo mismo ocurre con los isótopos del uranio, el uranio 235 y el uranio 238, en los que la diferencia es sólo de un 1%. Esta menor variación de masa hace más difícil la separación. En todos los procesos, excepto en el electromagnético que es el único procedimiento de una sola fase, la separación de los isótopos implica una serie de fases. El resultado de una fase individual es la separación del material original en dos fracciones, una de las cuales contiene un porcentaje ligeramente mayor del isótopo más pesado que la mezcla original, y la otra contiene un porcentaje ligeramente mayor del isótopo más ligero.

Para conseguir una concentración apreciable en el isótopo deseado, es necesario volver a separar la fracción enriquecida. Este proceso se realiza normalmente en cascada, en un gran número de fases. La fracción enriquecida de cualquier fase se convierte en la materia prima de la fase siguiente, y la fracción reducida, que todavía contiene un considerable porcentaje del isótopo deseado, se mezcla con la materia prima de la fase anterior. Incluso el material reducido de la fase original se utiliza en etapas adicionales cuando la materia prima (por ejemplo el uranio) escasea. Existe un mecanismo diseñado especialmente para que el flujo de una fase a otra sea automático y continuo.

Este procedimiento en cascada es muy flexible, y si se desea, se pueden cambiar las unidades de una fase a otra. Por ejemplo, en la separación del uranio, al principio hay que manejar una gran cantidad de material, pues el uranio 235 que se pretende obtener está mezclado con una cantidad de uranio 238 unas 140 veces mayor; al final del proceso, el uranio 235 está casi puro, y el volumen de material es mucho menor. Además, con sólo cambiar las tuberías, es posible modificar las fases para compensar la adición, en una fase intermedia, de material enriquecido anteriormente por un proceso diferente.

3.1
Centrifugación y destilación

En el método de centrifugación el mecanismo está dispuesto de forma que el vapor fluya hacia abajo en la parte exterior del cilindro giratorio, y hacia arriba en la región central del cilindro. El efecto centrífugo produce mayor concentración de los isótopos pesados en la región exterior (véase Centrifugadora). En la separación por destilación fraccionada, se destila una mezcla que contiene varios isótopos. Las moléculas de la fracción que tiene el punto de ebullición más bajo (los isótopos más ligeros) tienden a concentrarse en el flujo de vapor, de donde se recogen.

3.2
Difusión térmica

Este método se basa en la tendencia de las moléculas más ligeras de un líquido o gas a concentrarse en una región caliente y de las moléculas más pesadas a concentrarse en una región fría. Una forma simple de mecanismo de difusión térmica consiste en un tubo vertical alto con un alambre calentado eléctricamente a unos 500 °C que atraviesa su centro y produce un gradiente de temperaturas entre el centro y las paredes del tubo. Los isótopos más pesados tienden a concentrarse en la parte exterior del tubo, mientras que los más ligeros se concentran en el centro. Al mismo tiempo, debido a la conducción térmica, el gas o líquido cercano al alambre tiende a subir, y el gas exterior —más frío— tiende a bajar. El efecto general es que los isótopos más pesados se recogen en la parte inferior del tubo y los más ligeros en la parte superior.

3.3
Electrólisis

El método de separación electrolítica tiene un interés histórico, pues fue el primer método utilizado para separar deuterio prácticamente puro. Cuando el agua sufre una electrólisis, el isótopo más ligero del hidrógeno tiende a salir antes, dejando atrás un residuo de agua enriquecida con el isótopo más pesado.

3.4
Difusión gaseosa

Con este método, junto con el método electromagnético, se realizó la primera separación a gran escala, aplicada a los isótopos de uranio. El problema de separar el uranio 235 del uranio 238 se planteó en 1940 después de la demostración de la fisión del isótopo 235 por medio de neutrones. En el uranio existente en la naturaleza, la proporción es de 7 partes de uranio 235 por 1.000 de uranio 238. Bajo los auspicios del proyecto de la bomba atómica, se consideraron los distintos métodos para separar isótopos, y se puso en marcha una gran operación de separación utilizando los métodos de difusión gaseosa y electromagnético, que producían aproximadamente 1 kg por día de uranio 235 para fabricar armas nucleares.

El método de difusión gaseosa se basa en la distinta velocidad de difusión de los gases con diferente masa molecular. La velocidad de difusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa; al pasar por una barrera porosa, los átomos ligeros se difunden más rápidamente que los átomos más pesados. Para separar los isótopos del uranio, se bombea continuamente el único compuesto gaseoso del uranio, el fluoruro de uranio (vi), UF6, a través de las barreras porosas. La diferencia en masa entre el uranio 235 y el uranio 238 es ligeramente superior a un 1%, pero la diferencia en masa entre los fluoruros es ligeramente inferior a un 1%. El factor de enriquecimiento que depende de la raíz cuadrada de la diferencia mencionada es, teóricamente, de 0,43% para un proceso instantáneo o de 0,30% para un proceso continuo, pero en la práctica sólo se ha conseguido un factor de enriquecimiento de 0,14%. Para producir un 99% de uranio 235 a partir de uranio natural, que sólo contiene un 0,7% del isótopo 235, se requieren 4.000 fases. El proceso necesita miles de kilómetros de tuberías, miles de bombas y motores, y mecanismos de control muy complicados.

3.5
Separación electromagnética

Aunque el método de difusión gaseosa produce grandes cantidades de uranio 235, las primeras cantidades relativamente grandes del isótopo fueron producidas por medios electromagnéticos en Estados Unidos. Se construyó un grupo de unidades separadoras en las que se pasaba un haz iónico obtenido de un compuesto de uranio, a través de un campo magnético. Puesto que el radio de curvatura de la trayectoria de los iones desviados depende de la masa del ion, los iones con masas distintas completan su trayectoria en diferentes posiciones, y así los isótopos del uranio se separan de forma apreciable. Sin embargo, sólo se puede tratar una pequeña cantidad de material en cada operación. Debido a esta limitación en la producción, el uso del proceso electromagnético para la separación de isótopos a gran escala fue abandonado en favor del proceso de difusión gaseosa.

3.6
Láser

La idea de separación y enriquecimiento de isótopos por medio de láser surgió rápidamente después de la invención del rayo láser en 1960. Seis años más tarde este método se vio incentivado con el desarrollo del láser sintonizable, que proporciona rayos de fotones en una gama estrecha y seleccionable de longitudes de onda que va del infrarrojo al ultravioleta. Según este concepto, si se vaporiza antes un elemento, sus átomos pueden ser excitados e ionizados selectivamente por medio de un rayo láser sintonizado exactamente para separar el isótopo deseado. Los isótopos también se pueden separar en forma molecular, disociando de forma selectiva con rayo láser aquellas moléculas del compuesto que contienen el isótopo deseado. Desde 1972 se han venido desarrollando estos procesos para enriquecer el uranio y el plutonio, con el fin de utilizarlos en plantas y armas nucleares respectivamente. El método es costoso y técnicamente difícil, pero sólo se requieren unas pocas fases para producir material altamente enriquecido.