Ciencia del Fuego

Cuando hablamos de prevención y extinción de incendios, la ciencia del fuego es un aspecto fundamental para entender cómo funciona este fenómeno fisicoquímico. Muchos de los que quieren convertirse en bomberos especializados, necesitan una base de conocimientos como esta para avanzar en sus carreras.

Ciencia del Fuego

Por lo general, los grados en ciencias del fuego están dirigidos a la capacitación de destrezas de inspección y gestión. Existen desde certificaciones hasta maestrías en este campo, las cuales abarcan la prevención/combate de incendios y el liderazgo. Por ahora, nos concentraremos en explicar un poco la química del fuego. 

¿A qué llamamos fuego?

De forma simple, el fuego viene a ser un proceso donde existe una reacción química conocida como oxidación del combustible, cuya intensidad puede generar calor y llama. Para que esto ocurra en un ambiente determinado, debe existir una temperatura alta y un calor progresivo que mantenga la combustión. Los valores que propician este fenómeno pueden variar y suelen ir de 1039° C a 1700° C. 

Elementos que intervienen en la combustión

En la dinámica de la extinción de incendios, como bombero se deben entender bien los factores involucrados en su aparición: 

Temperatura de ignición

Este valor aplica para todos los materiales líquidos, sólidos o gaseosos que conocemos o que pueden estar presentes en un suceso. Hace referencia a la temperatura mínima de calentamiento que debe existir para que la llama permanezca viva sin la necesidad de fuentes externas de calor. 

Reacción química o en cadena

El bombero es quien se encarga de intervenir para romper el proceso químico en evolución con la finalidad de conseguir la extinción química y física de la combustión. La ciencia del fuego nos indica que este tipo de reacción está integrada por fragmentos moleculares, entre los que destacan varios elementos libres (carbón, hidrógeno, radicales, etc.) o especies activas. 

Comburente

Corresponde al agente que tiene la capacidad de oxidar al combustible, lo cual provoca su reducción. Mediante este proceso, el comburente va absorbiendo diversos electrones del material inflamable, como ácidos, cloratos, cromatos, dicloratos, halógenos, óxidos de metales pesados, oxígeno, ozono y muchos otros más. 
Cuando se trata de un incendio, el oxígeno pasa a ser ese agente oxidante que mantiene las llamas encendidas dada su abundancia en cualquier espacio. Aunque el 02 tiende a ser protagonista en estos eventos, no hay que olvidar que tanto el aluminio como el calcio pueden iniciar una flama en un ambiente con nitrógeno que tiende a ser inerte. 

Combustible

Por definición, es la materia que sufre la oxidación y dentro de la terminología que nos ocupa juega el papel de agente reductor. Entre su amplia variedad, encontramos al carbón, celulosa, cera, caucho, madera, metano, propano, titanio, uranio, zinc y más. Mientras que el estado de agregación igual puede propiciar la combustión, es importante que entiendas que los gases liberados son los responsables de generar la llama. 
Usualmente, los materiales en estado sólido van consumiendo su masa, lo cual implica que la temperatura en su superficie va aumentando hasta llegar al núcleo. Por otra parte, los combustibles líquidos producen vapores que van expandiéndose debido a la intensidad del calor y, además de avivar el fuego, su combustión total puede provocar una explosión. 
 

El triángulo del fuego

Esta caracterización geométrica del fuego cumple con el propósito de explicar de una manera visible las medidas contraincendios necesarias para su extinción. El triángulo representa el suceso y cada uno de sus lados es un factor (calor, comburente y combustible). 
La forma de apagar el fuego empieza con la eliminación o destrucción de uno de sus lados. Puedes hacer esto enfriando el calor, removiendo o impidiendo la evaporación del combustible o usando la exclusión de aire para contrarrestar al oxígeno. 

Tetraedro del fuego

Similar a la representación anterior, el tetraedro del fuego viene a ser una versión geométrica ampliada de cómo luce un incendio. Su fundamento parte de estudios que se han llevado a cabo en las últimas tres décadas y las cuales revelan la existencia de especies activas detrás del frente de llama. 
Estos fragmentos moleculares, que ya hemos referido en los componentes de la combustión, propician las reacciones químicas del mencionado frente. Debido a esto, al triángulo se le ha agregado un lado adicional cuya asignación es la reacción química o en cadena que forma la figura en cuestión. 

Papel del oxígeno en el proceso de ignición

Anteriormente hemos establecido que el O2 es el comburente por excelencia por su abundancia en el ambiente y su capacidad para alimentar un foco. Durante la combustión, funge como agente oxidante para un combustible que esté en estado sólido, líquido o gaseoso. Para que esto ocurra, el oxígeno toma los electrones del agente reductor (combustible), el cual va reduciendo al oxidante mediante este intercambio. Cuando hay una ignición con luz y calor, se trata de un fenómeno en que el O2 está oxidando al material que alimenta al fuego.

Caracterización de la combustión de gases

Desde la perspectiva química, los gases pueden ser vistos como sustancias aeriformes cuya combustión obedece a condiciones similares que gobiernan a los vapores generados por líquidos inflamables. Con los gases, la combustión ocurre dentro de ciertos parámetros en la combinación aire-gas. 
Estos elementos tienden a arder con una llama y cuando su concentración con aire u oxígeno va más allá del límite inferior de inflamabilidad, pueden encenderse o explotar. Esto último puede suceder en función del espacio que los contiene y la presión de la mezcla. Como la combustión es completa, no liberan humo y dejan residuos como agua más dióxido de carbono. 

Forma en que arden los líquidos

Supongamos por un momento que tenemos un recipiente con un líquido inflamable que le aplicamos una fuente de calor para observar su combustión. Lo primero que verás es una llama difusa que asemeja a la reacción de los combustibles sólidos en los que existe una destilación de los vapores que surgen del material. 
Cuando enciendes el contenedor con el hidrocarburo, el vapor que se mostraba en equilibrio será consumido con rapidez en donde se encuentran las llamas y luego será sustituido por la generación progresiva de nuevas concentraciones de vapor combustible. Ese calor intenso, radiante y de color negro que surge de las flamas es el encargado de acelerar la producción de vapor, dando como resultado la combustión. 
Junto a lo anterior, el calor también es responsable de liberar diferentes clases de fragmentos moleculares con un peso molecular más liviano: carbón e hidrógeno libres, radicales libres, entre otros, llamadas especies activas. Estos productos intermedios interactúan dentro de las llamas para provocar la conocida reacción en cadena.
Seguidamente, los vapores comienzan a arder en sus límites superiores de inflamabilidad como resultado de la penetración por difusión de aire suficiente en la zona de las llamas. Mientras los vapores recorren las flamas, reciben más aire, lo cual facilita su propagación y permite que sigan encendidos hasta llegar al límite inferior de inflamabilidad en los bordes externos de las llamas, donde hay la mayor concentración tolerable de aire para crear la ignición. 
En este proceso, las moléculas que se oxidan con mayor facilidad arden primero y, mientras progresa la combustión, las demás hacen lo mismo. Mediante una serie de etapas consecutivas, los enlaces de C-H del líquido combustible serán sustituidos por uniones H-O y C-O, que seguirán hasta el término de la ignición, provocando un conjunto de reacciones que se ha definido como hidroxidación. 
Durante esta fase, hay una creación y extinción simultánea del hidróxido, lo cual provoca la extensión de la cadena de reacción. Asimismo, el carbono únicamente muestra una combustión superficial, sin flama y que incluye una energía cinética que va reaccionando con lentitud, atravesando la zona de la llama como una nube negra.  

Diferenciación entre ozono y oxígeno

Cuando analizamos la composición del aire sin contaminación, vamos a encontrar las siguientes proporciones: 

  • 78.055% de nitrógeno
  • 20.939% de oxígeno
  • 0.933 de argón 
  • 0.031 de dióxido de carbono

Al momento de presenciar una combustión con aire limpio, las sustancias existentes absorberán el 02 para arder y los demás elementos actúan como diluyentes, sobre todo el N, el cual toma una cantidad del calor que genera la ignición. 
Supongamos que el aire puro proviene de una instalación especializada y estéril. En este caso, los elementos que lo componen brillan más al encenderse, revelando una combustión con mayor violencia debido a que el agente oxidante es más complejo. 
Si hay presencia de ozono en el aire, este gas particular puede desprender ese olor que caracteriza la oxidación lenta del fósforo. El O3 tiende a ser un elemento peligroso y penetrante si su concentración en el aire supera las 20.000 unidades. Además, hay que evitar que el ozono entre en contacto con materias orgánicas, una mezcla que podría causar una explosión. 

Aunque nuestra labor es proveerte de equipamiento contraincendios, herramientas resistentes al fuego, protección contra químicos, trajes de bomberos, SCBAs y otros productos, también nos guiamos por la ciencia del fuego. Por eso te invitamos a que sigas ampliando tus conocimientos y contribuyas a mejorar la prevención de incendios en México y otras latitudes. 

Referencia

  • Sin autor. (2020). Qué puedo hacer con un título en ciencias del fuego? Escuelas y carrera. 27 y 28 de octubre, 2021, de World Scholarship Forum. Sitio web: https://worldscholarshipforum.com/es/fire-science-degree/
  • Sin autor. (s.f.). Química del fuego. 27 y 28 de octubre, 2021, de FIO Unicen. Sitio web: https://www.fio.unicen.edu.ar/usuario/segumar/Laura/material/Qu%EDmica%20del%20Fuego.pdf

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