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EL FUEGO: MAS ALLA DEL TETRAEDRO

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Academic year: 2021

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“EL FUEGO: MAS ALLA DEL TETRAEDRO”

Por: Cabo. Jorge A. Garcés B; Cuerpo de Bomberos Voluntarios Sevilla Valle; Laboratorio de Investigación en Combustibles y Energía, Departamento de Química Universidad Nacional de Colombia. Mayo de 2005

jagarcesb@unal.edu.co jorgegarces@terra.com bomberossevilla@latinmail.com

Palabras Clave: El fuego, combustión, pirólisis, reacción química en cadena, radicales libres. RESUMEN

Cuando un combustible es sometido a una fuente de calor, puede sufrir un proceso de combustión ó pirólisis, dependiendo si hay un agente oxidante ó no respectivamente. De nuestro conocimiento y la eficacia con que se aproveche la información disponible sobre el proceso de la combustión, dependerá la magnitud de los daños y/ó beneficios que se recibirán de este don. En general, el fuego es un cambio o proceso fisicoquímico exotérmico que sufre un combustible al transformarse en otros productos, liberando una gran cantidad de energía en forma de calor y es aquel fenómeno en el que un agente reductor cede electrones a un oxidante, mediante una cadena de etapas modeladas por la reacción química en cadena y controladas por la formación y cantidad de especies altamente reactivas llamadas radicales libres.

INTRODUCCIÓN

Zeus, Dios griego que encargó a su hijo Hefaistos, cuidar el fuego como símbolo y fuente de vida; no alcanzó a imaginar la importancia que tendría éste en el desarrollo de la humanidad; es por esto que el proceso del fuego y su aprovechamiento como fuente de energía, siempre ha generado gran interés para todo el mundo y en especial para la comunidad científica que lo estudia y modela, en búsqueda de su optimización, mayor beneficio en términos energéticos, minimización de la contaminación e impacto del “don divino” que han cuidado los dioses. Como bomberos debemos conocer e identificar al máximo sus características, propiedades y comportamiento básico; para así poder aplicar y generar nuevos procedimientos operativos de supresión de incendios.

Comúnmente en la enseñanza de la teoría del fuego, se ha empleado el modelo del tetraedro; el cual consiste básicamente en la interacción de cuatro partes esenciales y mancomunadas como lo son el Calor (Energía), Combustible (Agente reductor), Oxígeno (Agente Oxidante) y la Reacción Química en Cadena (RQC). Basados en este modelo general se han desarrollado toda una clase de técnicas, estrategias, tácticas y conocimientos organizados; que unidos a la experiencia, permiten organizar el trabajo de extinción y control del fuego, maximizando los recursos y minimizando las pérdidas causadas por este fenómeno. Por lo tanto con este documento se busca contribuir, reforzar la información y conocimiento disponible acerca de las características y comportamiento del fuego; para así poder controlarlo, extinguirlo o aprovecharlo en las diferentes situaciones; empleando

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herramientas reales y no del “carácter divino” de donde “proviene” tan poderoso recurso ó enemigo, como lo es el fuego para el hombre.

LA ENERGÍA EN EL FUEGO

Todos podemos tener una definición y concepción diferente para la energía; pero en general se puede decir, que es la Capacidad que se tiene para Realizar un Trabajo. De acuerdo con la fuente y forma de esta podemos encontrar la energía química, mecánica, cinética, potencial, nuclear, entre otras; por ejemplo para incrementar la temperatura de un cuerpo o sistema (calor) ó la transformación de la energía química presente en un combustible, en energía térmica y luego en el interior de un motor en energía mecánica con la que se podrá llevar a cabo una actividad.

La energía en los materiales es almacenada en su interior mediante la interacción de los átomos que componen las diferentes moléculas, en forma de energías de enlace, es decir, que la Unión entre dos átomos constituyentes de un combustible, requiere una cantidad de energía necesaria para mantenerlos unidos y cuando estos son separados o reorganizados por algún motivo (como en una combustión), se puede liberar o requerir energía ( calor ), dando lugar a los procesos Exotérmicos ó Endotérmicos respectivamente.

PROCESOS FISICOQUÍMICOS

Veamos de manera general y en términos de un proceso fisicoquímico, a la combustión completa e ideal del combustible gaseoso propano, según la siguiente ecuación fisicoquímica:

C3H8 (g) + 5 O2 (g) + Calor de ignición =====>3 CO2 (g) + 4 H2O(v) + Calor de combustión

La ecuación anterior muestra la reacción de combustión ideal, en la cual una molécula de propano gaseoso (C3H8 (g)) reacciona ( + ) con cinco moléculas del oxígeno presente en

estado gaseoso ( O2 (g) ); debido a la presencia del calor de ignición del propano ( Punto de

Ignición ); para producir ( =====> ) tres moléculas de gas carbónico ( CO2 (g)), más cuatro

de vapor de agua ( H2O (v) ); liberando grandes cantidades de energía en forma Calor de

Combustión.Este último es transferido a los alrededores mediante tres formas básicas en una combinación de los fenómenos de radiación, conducción y convección. Nunca debemos olvidar que eliminar el calor de combustión es nuestro principal objetivo en las labores de extinción y control de incendios después del rescate y por lo tanto en él y en sus formas de transferencia; debemos centrar nuestros esfuerzos y experiencia basados en un conocimiento profundo de sus características y comportamiento.

Desde el punto de vista de un reacción química, obsérvese que a la izquierda en la ecuación de combustión del propano , la unión ó enlace de los átomos de carbono (C) es con los átomos de hidrógeno (H) y a la derecha de la ecuación ó después de la combustión la unión de este, es con el oxígeno; es decir, que el carbono sufrió una reorganización en sus enlaces, cambio que se denomina Reacción Química. En esta misma, se pueden observar

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O* O* O* O* Rad ica l libr e

claramente los cambios en los estados de agregación de la materia o fases, que sufre un combustible durante su quemado; por lo que podemos decir en general, que en una reacción de combustión se presentan cambios químicos y físicos de los materiales participantes con liberación de calor; en pocas palabras, la Combustión es un Proceso Fisicoquímico exotérmico.

PROCESOS QUÍMICOS DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN

En busca de ir “más allá”, es necesario manejar el modelo de oxidación-reducción de los materiales involucrados en una reacción química como la combustión; en el cual hay una Transferencia de Electrones de uno a otro, denominándose Oxidación a la Pérdida de electrones y Reducción al fenómeno sufrido por el material que los Recibió. Entonces en una combustiónsiempre habrá una parte que Dona sus electrones y otra que los Recibe, a las cuales se les llama Agente Reductor y Agente Oxidante respectivamente. Por lo tanto en una combustión, el agente reductor es el combustible al ceder electrones y sufre una oxidación por la pérdida de estos; que son recibidos por el oxígeno generandole una reducción, lo que se puede resumir en el siguiente cuadro.

AGENTE ELECTRONES FENÓMENO

Oxidante Gana Reducción

Reductor Pierde Oxidación

Si se modela la combustión según el intercambio de electrones ó modelo de oxidación-reducción, podemos decir para el ejemplo anterior, que el propano es el agente reductor y el oxidante es el oxígeno; surgiendo otra forma de expresar o escribir el proceso fisicoquímico de la combustión así:

REACCIÓN QUÍMICA EN CADENA

Completando el modelo del tetraedro del fuego se encuentra la Reacción Química en Cadena (RQC), que aún es objeto de grandes esfuerzos en investigación científica para la modelación del Proceso de Combustión; por esto se hará mención en este documento a un modelo básico y general para explicar este fenómeno en términos aplicables para un bombero. Digamos entonces que la RQC es una serie de pasos secuenciales e interrelacionados; en la cual los agentes reductor y oxidante que participan en una

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  O O2 2 

CH

CH

O

CH

CH

CH

OH

CH

3 2 3 3 2 2

O

O

CH

CH

CH

O

CH

CH

CH

3 2 2 2 3 2 2

O

O

O

14 6 3 2 2 2 2 3

CH

CH

CH

CH

CH

C

H

CH

2

O

O

O

14 6 3 2 2 2 2 3

CH

CH

CH

CH

CH

C

H

CH

combustión, ya activados por una fuente de energía; interaccionan para llevar a cabo la transformación del material inicial o sin quemar, a unos nuevos o productos de combustión; por intermedio de unas especies químicas de vida muy corta, pero altamente reactivas y deficientes en electrones, llamadas Radicales Libres (). La alta reactividad de estas especies es atribuida principalmente a la carencia de los electrones necesarios para alcanzar su estabilidad química, es decir, que con la formación de nuevas especies químicas, desaparecen los radicales libres al formar los productos de la combustión. En el modelo de la RQC se consideran tres etapas importantes, secuenciales y trascendentales en el proceso fisicoquímico del fuego; estas son la Iniciación, Propagación y terminación.

* Etapa de Iniciación ó Lenta: formación de los primeros radicales libres de oxígeno(). * Etapa de Propagación ó Rápida:

A) B)

* Etapa de Terminación:

Según el modelo anterior podemos observar que el calor de ignición, es utilizado en la etapa lenta para la formación de los primeros radicales libres de oxígeno que reaccionarán y activarán las moléculas del propano, dando lugar en el segundo paso de la propagación, a nuevos radicales libres de oxígeno y propano, diferentes a los primeros formados en la iniciación; entonces ahora los dos radicales libres de oxígeno iniciales, han dado lugar a más cantidad de radicales en la etapa rápida, que independientemente reaccionarán con nuevas moléculas del combustible no consumidas, involucrando cada vez más una mayor cantidad del material y aumentando la magnitud del calor de combustión generado, es decir, la velocidad a la que se quema el material y la cantidad de calor, será mayor con el paso del Tiempo; en pocas palabras , podemos atribuir la rápida propagación de los incendios, al aumento en la velocidad de formación de los radicales libres de combustibles presentes en la escena; siendo esta a mi modo de ver, la razón principal por la que es de gran importancia llegar en el menor tiempo posible al lugar, para disminuir el calentamiento o camino a la ignición de la masa total de combustibles aún no comprometida. Lo se muestra en la alta tendencia generalizada en grandes y pequeños departamentos de bomberos del mundo, a la disminución del Tiempo de Respuesta, aumentando el número de estaciones para disminución del área de cubrimiento; como lo manifestó ante el congreso de EE.UU. el presidente de la NFPA James Shannon el 4 de junio de 2003 “...NFPA 1710 que reza que los bomberos deben responder dentro los primeros cuatro minutos en el 90% de los casos. Aún así, el llegar a la escena a tiempo no

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vasta, si se llega desprovisto de los recursos necesarios para marcar una diferencia.”{2}, cuando se discutía sobre el futuro del proyecto “Acta Safer” y en donde incluyó información acerca de las normas NFPA 1710 y 1720 {3}.

Obsérvese con cuidado, que del conocimiento básico del fenómeno del fuego han surgido nuestras herramientas para combatirlo, como los son los métodos de extinción; por ejemplo cuando se emplea agua para enfriamientoen la eliminación de la fuente que proporciona el calor de ignición; por supresión de aire se elimina el receptor de los electrones cedidos por el combustible y también este último puede ser retirado del lugar como otro método de extinción. Igualmente se han desarrollado agentes extintores como los halogenados que inhiben la RQC al capturar los radicales libres generados o impidiendo su formación en la etapa de iniciación; entonces si conocemos muy bien a nuestro “enemigo”, podemos generar y mejorar herramientas para combatirlo.

Nótese, que sí el modelo de la reacción química en cadena fuera realmente en esta forma, con la eliminación de uno solo de los radicales libres formados se suspendería la secuencia o unión de esta “cadena” de pasos, es decir, se extinguiría el fuego; lo que no sucede en la realidad. El fenómeno que más se aproxima o por lo menos es más aceptado en la comunidad que investiga sobre la combustión, es el estudiado anteriormente como una serie de pasos interrelacionados, secuenciales en los que se forman después de la iniciación especies activas independientes unas de las otras, como lo son los radicales libres que van formando una Red de nuevos “puntos” de propagación dando lugar a una estructura de tipo multinivel. Es por esto que se propone en este documento, cambiar el término Cadena por Red, quedando Reacción química en Red, para definir este fenómeno más acorde a la realidad, es decir, que para eliminar la propagación o mejor acabar la combustión, se deben debilitar o eliminar simultáneamente varios puntos de la Red para que esta sea destruida en su totalidad y se suprima el fuego.

PIRÓLISIS Y COMBUSTIÓN

Haciendo uso de todos los términos y conceptos planteados, veamos los fenómenos de Pirólisis y Combustión de un material combustible sólido como la madera. Cuando esta es sometida a una fuente de calor, primero tiene lugar una etapa de pérdida de agua o deshidratación del combustible a una temperatura cercana a los 110-150ºC; para luego iniciarse la fijación del oxígeno presente sobre la superficie de la madera, dando comienzo a los reorganizamientos de las uniones entre los átomos que la componen, liberando energía suficiente para entrar en combustión por sí sola (punto de auto-ignición). Si el paso de la oxidación no se lleva a cabo por ausencia del agente oxidante; tiene entonces lugar la Pirólisis o Descomposición térmica de la madera, en el cual se liberan sustancias volátiles y gases que en un momento dado si tienen la propiedad y requerimientos necesarios de calor y por algún motivo entran en contacto con un agente oxidante, pueden arder rápidamente con detonación ( combustión súbita generalizada ); lo que puede presentarse en una situación de incendio, en la que el lugar comprometido esta muy encerrado y con deficiencia de oxígeno y al realizar por ejemplo un mal procedimiento de ventilación; una combustión instantánea con detonación puede llevarse a cabo.

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CONCLUSIONES

* Si conocemos con más profundidad el comportamiento del fuego, podemos generar mejores y más adecuadas estrategias de extinción.

* Con el conocimiento de las características, fenómenos y modelos involucrados en el fuego, se podrán generar nuevas soluciones y herramientas para su supresión.

* La etapa más importante y rápida en el proceso del fuego, es la propagación y a la cual se deben centrar todos los esfuerzos con una intervención rápida.

* Se propone cambiar el término Cadena por Red, quedando Reacción

Química en Red; para una definición más adecuada del modelo que describe el fenómeno de la combustión.

* Ser muy cautelosos en la planeación y ejecución de los procedimientos de ventilación, cuando hay condiciones de combustión incompleta o pirólisis.

Nunca olvide que “el lenguaje de los átomos” son las letras más pequeñas, casi invisibles

de aquel contrato que hemos firmado y que del manejo de estas dependerá el mayor daño o

provecho obtenido de este preciado don que los dioses nos han dado.

BIBLIOGRAFÍA

{1} Tuve.L.Ricahrd “Principios de la Química de Protección Contra Incendios”. NFPA. 1993; Pág. 40.

{2} Shannon James, “El presidente de la NFPA declara sobre la necesidad de personal suficiente”.NFPA Journal Latinoamericano; Nº4, de 2004 Pág. 33

{3} NFPA 1710 y 1720 "Organización y despliegue de las operaciones de supresión de incendios, operaciones médicas de emergencia, y operaciones especiales para el público por el departamento de bomberos remunerados” y voluntarios respectivamente. National Fire Protection Association. EE.UU.

Referencias

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