4.1 Madera
Historia de la quema de madera
La madera se ha utilizado como fuente de energía durante miles de años (el primer uso conocido del fuego se determinó cuando los arqueólogos hicieron descubrimientos de seres humanos que vivían hace 400.000 años), y la madera era la fuente obvia para hacer fuego. En América, en 1637, los habitantes de Boston sufrieron la escasez de madera. Se convirtió en la primera crisis energética de América tras menos de un siglo de asentamiento. A finales del siglo XVIII, Benjamin Franklin inventó una estufa de hierro fundido para uso interior. Mantenía el calor en la habitación después de que el fuego se apagara. Sin embargo, tenía un defecto de diseño: no tenía forma de aspirar aire, por lo que el fuego se apagaba rápidamente. Así que David R. Rittenhouse añadió una chimenea y un tubo de escape para mejorarla.
Quemar madera
Primero, veremos dónde se almacena la energía en los materiales, empezando por la molécula de metano. La combustión del metano es exotérmica (libera calor a medida que la reacción avanza), pero la reacción debe iniciarse antes de que se mantenga con la disponibilidad continua de metano y oxígeno. La fórmula siguiente muestra la reacción en formato estequiométrico:
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (¡más calor!) Esta ecuación no se está renderizando correctamente debido a un navegador incompatible. Consulte los requisitos técnicos en la orientación para obtener una lista de navegadores compatibles.
La figura 4.1 muestra los mismos reactivos y productos, pero con los enlaces antes de la reacción y después de la misma, a nivel molecular/atómico. El número de átomos de cada molécula no cambia, pero sí la forma en que están dispuestos y conectados. El único cambio real es la forma en que los átomos están unidos: son los enlaces químicos. Como la ENERGÍA sale de un sistema en combustión, entonces debe significar que hay más energía almacenada en 4 enlaces C-H y 2 O-O que en 4 H-O y dos C-O. La ENERGÍA liberada durante la combustión química proviene de la ENERGÍA almacenada en los enlaces químicos del combustible & oxígeno.
Reaccionantes: El metano reaccionará con dos moléculas de oxígeno. Los cuatro hidrógenos del metano están conectados a un solo átomo de carbono por 4 enlaces simples. Las moléculas de oxígeno son cada una dos átomos de oxígeno conectados por un doble enlace.
Durante la combustión, los átomos se reorganizan y forman nuevos enlaces.
Productos: El átomo de carbono se conecta a 2 átomos de oxígeno con un doble enlace entre el carbono y cada oxígeno para producir una molécula de dióxido de carbono. Además, cada uno de los otros átomos de oxígeno restantes forma 2 enlaces simples con 2 de los átomos de hidrógeno restantes para formar una molécula de agua. Los productos netos de la reacción son 1 molécula de CO2 y 2 moléculas de H2O.
Ahora conocemos la química de reacción de la combustión del metano, pero la madera es un material mucho más complejo que el metano. La madera contiene hasta un 50% de agua. El agua en la madera reducirá el valor calorífico de la misma, y si la madera está muy húmeda, dará lugar a un fuego humeante. Los principales componentes de la madera (lo veremos con más detalle en una lección posterior) son la celulosa (de la que está hecho el papel) y la lignina (la parte del árbol que le da una estructura resistente). Para iniciar un fuego, normalmente hay que encender un material que arda fácilmente para empezar a calentar la madera (puede ser un periódico o un «iniciador de fuego»). Los componentes comienzan a descomponerse por el calor (por lo que técnicamente aún no estamos «quemando»), lo que produce vapores y carbón. Los vapores se denominan «volátiles» y el carbón se compone de carbono y cenizas. Los volátiles son los que realmente comienzan a arder, produciendo una llama. El carbón rico en carbono produce brasas o «carbones», que son necesarios para mantener el fuego. La madera no suele contener azufre, por lo que no se producen óxidos de azufre (o SOx).
La quema de madera puede plantear problemas. El humo proviene de las partículas que no se quemaron o sólo se quemaron parcialmente y que pueden contaminar la atmósfera, y típicamente provienen de las resinas de los árboles. No es un problema cuando una o dos personas queman madera, sino cuando miles de personas queman madera en las chimeneas. En State College, Pennsylvania, en invierno, se puede ver el humo en el aire de las chimeneas. Los fuegos de leña en las chimeneas también pueden depositar hollín y creosota en las mismas, que si no se limpian periódicamente, pueden prender. La quema de madera (o en realidad de la mayoría de las cosas) producirá un material de ceniza (minerales en la madera y el carbón que reaccionan con el aire en condiciones de combustión); la ceniza debe ser eliminada. El humo de la madera también contiene una serie de sustancias químicas que pueden ser cancerígenas.