Del óxido a las ondas de choque

Por difícil que resulte creerlo, la corrosión de una lata de chapa en el campo y las voladuras de una cantera son el mismo fenómeno químico. Cuestión de cinética química, hoy me apetece hablar de la oxidación.

Corrosión

La oxidación, como su nombre indica, es la combinación de una sustancia con el oxígeno. Si dejáis un clavo sumergido en agua durante 24 horas, se empezará a oxidar. El agua contiene oxígeno disuelto, que se combina con el clavo para formar óxido férrico de color naranja marrón. Aquí viene una propiedad curiosa de los gases: es más fácil disolver algo en agua cuando está el agua caliente que cuando está fría, en general para cualquier disolución es así... pero para los gases es al contrario. Cuando tenemos gas disuelto en líquido, y lo calentamos, la solubilidad de los gases disminuye. Así el agua hervida no contiene oxigeno disuelto apenas, y un clavo sumergido en ella no se oxidará.


A propósito, los peces respiran el oxigeno disuelto. Podéis haceros una idea de lo que pasa si sube la temperatura del agua. Es más, en cierto sentido el oxigeno purifica, cuando escasea empiezan a proliferan otro tipo de microorganismos (anaerobios) y huelen bastante mal. Es la causa del hedor de agua estancada: aguas que no se agitan, no se mezclan con el oxígeno, y como no es agua corriente está calentita. El poco oxígeno que queda lo producen las plantitas verdes del fondo. Si además hay nutrientes, arriba las algas crecen, apagan la luz del fondo, la fotosíntesis se va a la mierda y las bacterias se dan el festín. Después todo huele a podrido.

Pilas

Siempre que hay una oxidación hay desprendimiento de energía. Si la oxidación es lenta, como en el caso de una chapa a la intemperie, esa combinación se hace con el oxígeno atmosférico. Y la potencia (energía / tiempo) es casi nula. Podríamos aprovechar esa energía si facilitamos la oxidación. Se dará más deprisa, mayor energía en el mismo tiempo: más potencia. Hemos construido una pila.

Respiración

No sólo los metales se combinan con oxígeno. También se oxidan las sustancias orgánicas. Por ejemplo la glucosa. Igual que cuando quemamos butano, y general cualquier hidrocarburo, al quemar glucosa se produce CO2 y agua, además de energía. Esta reacción es la que utiliza cada una de nuestras células para obtener energía para vivir. El proceso biológico se llama respiración aerobia, está diseñado para aprovechar la energía lo máximo posible. Eso sí, es un infierno bioquímico de reacciones, enzimas y procesos físicos.

Fuego

Hay sustancias que se combinan fácilmente con el oxígeno, son combustibles, pero para que se de la reacción necesitan una energía de activación. Energía que en general se aplica en forma de calor acercando una llama o una brasa o una chispa o comprimiendo el combustible. Si la oxidación de una sustancia combustible una vez iniciada no se controla, la velocidad de la reacción aumenta varios órdenes de magnitud. Se desprende tanta energía que el calor inicia la reacción en zonas adyacentes inflamándolas también. El fuego no es más que una reacción de oxidación autosostenida. Y se mantiene hasta que no haya nada más que combinar con oxigeno (combustible), no haya nada oxígeno con el que combinarlo (comburente) o eliminemos esa capacidad de automantenerse (aplicando agua por ejemplo).

Llamarada

Si el combustible es sólido o líquido sólo ciertas partes están expuestas al oxígeno. En cambio si es gaseoso puede mezclarse con él y aumentar la velocidad más aún. Se produce una deflagración.

Es lo mismo cuando el combustible está finamente pulverizado. Por ejemplo la mezcla de gasolina y oxígeno en un motor. O cuando escupimos Colacao. Sí, si pulverizamos cualquier cosa que se oxide, a una temperatura adecuada y le acercamos una cerilla arde. Hasta el aluminio. De hecho en habitáculos donde se acumula polvo en el suelo (tiene que ser una capa bien gorda) se debe considerar el riesgo de explosión.

Muchos desastres domésticos son debidos a fugas de gas. El combustible se escapa durante la noche acumulándose en la cocina mezclado con el oxígeno. Cuando el interruptor de la luz o una cerilla inician la reacción, todo arde casi en el instante (el casi es muy importante aquí). Entre otros factores, dependiendo de la concentración, el resultado será una llamarada o una explosión.

Una explosión por gas en realidad son dos procesos. Primero se crea un vacío inicial resultado de combinarse gas y oxígeno, y acto seguido un incremento del volumen debido al calor generado en la reacción. Se trata de una implosión más una explosión. Los efectos son devastadores.

Depender del oxígeno del aire es un factor limitante para la velocidad de reacción. Si queremos aumentarla no nos queda otra que mezclar un combustible con un oxidante para disponer de todo el oxígeno que necesitemos sin depender del atmosférico. En la pólvora, por ejemplo, se mezcla el carbón con un compuesto que desprende oxígeno al calentarse. Además con este sistema se puede empaquetar en un cartucho para facilitar el manejo e incluso arder sin oxígeno (bajo el agua).

Detonación

Si seguimos aumentando la velocidad de reacción llegará un momento en que esta supere la velocidad del sonido. Más propiamente dicho, el desprendimiento de energía se hace a tal velocidad que el aire que lo rodea se expande rápidamente, generando una onda de choque que percibimos como un estampido.

Hay sustancias que impiden o dificultan la detonación. En los motores una vez que la gasolina está caliente, pulverizada y mezclada con el oxígeno detonará antes de tiempo al comprimirla. Para eso se añaden compuestos antidetonantes, que hacen que la mezcla necesite una chispa y no se encienda espontáneamente. Es lo que se mide con el índice de octano.

El daño destructivo de una detonación lo causa la onda de presión que se produce cuando el aire es desplazado de golpe de las cercanías del explosivo. Este desplazamiento se debe normalmente al calor generado.

Como nota curiosa hay ciertas sustancias que detonan sin arder, sin apenas desprendimiento de energía. Ante un golpe, por ejemplo, las moléculas que antes eran sólidas pasan a descomponerse en varias gaseosas. Como gas ocupan mucho más espacio del que ocupaban como sólido. Es lo que se denomina explosión entrópica. Es como si en un punto liberásemos instantáneamente cientos de litros de aire, forzando al aire de los alrededores a comprimirse de golpe.

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