Reacciones químicas explosivas

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  • 1. INTRODUCCIÓN En este escrito se va a presentar una pequeña introducción a las reacciones químicas explosivas que pueden producirse al tratar con compuestos químicos. Primero, se realizará un breve acercamiento a las explosiones y a los tipos de ellas, haciendo un mayor hincapié en las explosiones del tipo químico y sus características. Seguidamente se entrará a valorar los tipos de compuestos químicos explosivos que existen y su definición. Por último, se desarrollará una explicación sobre las reacciones químicas explosivas, los principales tipos de reacciones que pueden dar lugar a una explosión, algunos ejemplos de reacciones explosivas y se terminará ofreciendo varios consejos para controlar y prevenir algunos factores que pueden dar lugar a reacciones violentas. EXPLOSIONES Una explosión se puede definir como una liberación de gas que provoca una gran aportación de energía. Esta liberación de gas se produce rápidamente. La energía producida se dispersa en el medio mediante una onda de choque de altas presiones. Se pueden considerar dos grandes tipos de explosiones que se diferencian en la forma que se han producido: • Explosiones Físicas Son las explosiones en las que no se produce un cambio en la naturaleza química de las sustancias. Estas explosiones físicas se pueden se pueden dividir en tres grupos: o Casos en que la liberación gaseosa a alta presión se produce mecánicamente, como, por ejemplo, en la liberación de un gas comprimido de una botella, la evaporación repentina de un líquido debido a sobrecalentamiento, etc. o Casos en donde se produce una explosión de vapor en expansión de un líquido en ebullición (BLEVE). Si se dispone de un líquido sobrecalentado en un contenedor que se rompe, se produce una liberación del líquido evaporado de forma súbita. o Casos donde se produce la evaporación de un líquido debido a la mezcla del líquido con una sustancia que se encuentra a
  • 2. mayor temperatura que la temperatura de ebullición del líquido. • Explosiones Químicas Las explosiones químicas se deben generalmente a reacciones químicas exotérmicas. En este tipo de explosiones se produce un cambio en alguna de las sustancias formando gases rápidamente. Se puede hacer una división de las reacciones químicas que puede ser importante para el estudio posterior de las explosiones químicas. Se va a clasificar las reacciones como reacciones uniformes y reacciones de propagación. • Reacciones uniformes: donde la velocidad se mantiene constante en toda la masa de reacción. En este tipo de reacciones al aumentar la temperatura, se disipará peor el calor producido por la reacción en la zona central de la masa reactiva, por lo que la velocidad aumentará en esta zona. • Reacciones de propagación: son reacciones que comienzan en un lugar específico de la masa reactiva y se propagan a través de ella según el frente de reacción. En una reacción explosiva, si la velocidad del frente de reacción es menor que la velocidad del sonido se producirá una deflagración, pero si es mayor se producirá una detonación. En una deflagración, la reacción es propagada mediante el calor producido. Es decir, al quemarse el material transfiere energía calorífica a la siguiente zona del material que lo enciende y continúa con la expansión. Mientras en una detonación, la energía liberada en la reacción propaga la onda de choque hacia el exterior. Por lo que la presión generada por la onda será mayor y la detonación es más destructiva que una deflagración. Hay una serie de parámetros que resulta útiles estudiar en el caso de las explosiones, sobre todo, en las explosiones químicas: Presión máxima de explosión: es la mayor presión que se puede producir en una explosión dada. Gradiente máximo de presión: el gradiente de presión da información sobre la velocidad de propagación de la llama y por tanto de la violencia de la explosión. El valor máximo del gradiente
  • 3. se alcanza en el centro geométrico del recipiente donde se produce la explosión. Constantes Kst (explosiones de polvo) y Kg (gases): estas constantes relacionan la fuerza de la explosión con el tamaño del recipiente. El volumen del recipiente influye en la violencia de la explosión. Límites de explosividad: definen el rango de concentraciones de una mezcla explosiva, en el cual, un material de ignición puede desatar una autopropagación de la reacción. COMPUESTOS QUÍMICOS EXPLOSIVOS Una sustancia explosiva es aquel compuesto o mezcla de ellos, que pueden reaccionar violentamente, desprendiendo una gran cantidad de gases y de calor. Hay dos conceptos fundamentales que se tienen en cuenta para definir sustancias explosivas, como son: • Severidad: es una medida de la violencia de la reacción explosiva que produce la sustancia. Hay varios factores que afectan a la severidad entre los que se encuentran el tamaño de partícula, la composición, la humedad o la temperatura. • Sensibilidad: es una medida de la mínima cantidad de energía que debe absorber una sustancia para producir una reacción explosiva. Mientras su utilización, en caso de duda de las características de estas sustancias químicas explosivas, se deben tener presentes las fichas de seguridad de estos compuestos, donde vienen explicadas los riesgos que conlleva su utilización, así como posibles sustancias incompatibles con ellos y la mejor forma de manejarlos. Hay compuestos químicos de los que se puede predecir su comportamiento explosivo, ya sea por su fórmula química o por alguna otra característica, como son: • Compuestos que poseen en su composición química un grupo oxidante y un grupo reductor, como por ejemplo, NH4NO2 (donde el NO2- es un oxidante fuerte y el NH4+ es un reductor. • Composición determinada de mezclas de combustible y aire, por ejemplo, una mezcla de CS2 del 1-50%. • Grupos funcionales determinados, por ejemplo, los peróxidos, azidas, etc.
  • 4. • Sustancias pirofóricas que se oxidan y se inflaman en contacto con aire, por ejemplo, el pentacarbonilo de hierro. • Compuestos que reaccionan violentamente con agua, como el sodio o algunos hidruros. Algunas de estas reacciones explosivas se detallarán en mayor medida en el siguiente capítulo. REACCIONES QUÍMICAS EXPLOSIVAS Una reacción química explosiva se caracteriza por los siguientes factores: • Formación de una gran cantidad de gases rápidamente. • Generación de una gran cantidad de calor que hace expandirse a los gases generando altas presiones. • Se produce a una gran velocidad. Esta velocidad de reacción es mayor que la velocidad de disipación del calor producido en la reacción. Hay casos en que la reacción explosiva se ve favorecida por otras causas como: • Aumento en la velocidad de la reacción. A mayor velocidad, la violencia de la explosión será mayor. Esta velocidad aumenta al hacerlo las concentraciones de los reactivos. Un cambio en el disolvente puede producir una reacción más veloz. Si los reactivos son sólidos, cuanto mayor se la división del sólido mayor será la velocidad. Una mayor temperatura también aumentará la velocidad. • La viscosidad de la reacción. Si la reacción se produce en una disolución viscosa el intercambio de calor de la reacción con el medio será más difícil ya que el disolvente ofrecerá mayor resistencia a la disipación del calor. • La agitación. Si hay una buena agitación, el intercambio de calor será muy favorables y la reacción explosiva se hará menos violenta. Se puede hacer una pequeña clasificación del tipo de reacciones explosivas más comunes que existen. • Reacciones exotérmicas incontroladas
  • 5. En estas reacciones se genera más calor del que puede ser disipado por el medio. Con lo que la temperatura de la reacción aumenta y esto a su vez hace aumentar la velocidad, con lo que se aumentará la cantidad de calor desprendido. Es un proceso cíclico hasta que la reacción se descontrola. Una reacción exotérmica descontrolada se puede generar por diversas causas, como, por ejemplo, por la pérdida de la refrigeración del sistema, disminución del área de intercambio de calor, pérdida de la agitación, etc. • Reacciones violentas con agua Hay sustancias que producen reacciones exotérmicas con el agua o que pueden producir gases inflamables como producto de reacción. Estos compuestos deben ser utilizados y almacenados sin contacto con agua ni vapor de agua. • Reacciones violentas con aire Son sustancias que al entrar en contacto con el oxígeno del aire pueden generar su inflamación espontánea, como el fósforo blanco o algún nitruro alcalino. • Compuestos incompatibles Son sustancias que presentan una gran afinidad entre ellas y su mezcla puede provocar reacciones violentas, por ejemplo, oxidantes con materias inflamables, ácido sulfúrico con clorato potásico, etc. • Formación de peróxidos Algunas sustancias pueden sufrir una reacción espontánea con el aire, la humedad o impurezas y formar su peróxido que a veces puede producir una explosión. Los peróxidos formados son, generalmente, más densos que el disolvente y tienden a concentrarse. • Reacciones de polimerización Hay sustancias que debido a calentamiento, exposición a la luz, o a impurezas pueden polimerizar provocando una explosión química o física, por ejemplo, el acrilonitrilo, el estireno, etc. • Reacciones de descomposición
  • 6. Hay sustancias que por algún choque o calentamiento se pueden descomponer rápidamente generando una explosión, por ejemplo, amiduros alcalinos o algunas sales de diazonio. Ahora se va a comentar una serie de ejemplos de reacciones explosivas de diversa índole. • Reacciones de la amida de sodio Es una sustancia que se ve involucrada en varias reacciones explosivas. Reacciona violentamente con agua según: NaNH2 + H2O  NH3 + NaOH desprendiendo amoníaco gaseoso que puede inflamarse debido a que la reacción desprende calor. También reacciona al aire produciendo peróxido de sodio: 2NaNH2 + 4O2  Na2O2 + 2NO2 + 2H2O Este peróxido se forma sobre su superficie, y puede explotar con un simple rozamiento de una espátula. Estas sustancias se deben utilizar inmediatamente o almacenarlas con total cuidado. El exceso de peróxido se puede destruir controladamente utilizando 2- propanol. • Reactividad del peróxido de acetona El peróxido de acetona es un sólido cristalino y un explosivo primario. Fórmula del peróxido de acetona Es una sustancia muy sensible al calor, a la fricción y al choque. La extremada sensibilidad es debida a la inestabilidad de la molécula.
  • 7. Peróxido de acetona Esta sustancia, generalmente, detona cuando se produce su ignición en mayor cantidad de 2 gramos o menores si está confinada. La oxidación que ocurre es la siguiente: 2C9H18O6 + 21O2  18H2O + 18CO2 Recientes investigaciones describen que se trata de una explosión entrópica ya que desprende muy poco calor en su descomposición. Hay reacciones que pueden dar lugar a peróxido de acetona en una reacción secundaria o como subproducto. Se utiliza como agente blanqueante o como iniciador de alguna reacción de polimerización. Se utiliza en estos casos en disoluciones diluidas. • Reacción de sodio con agua Los metales alcalinos sólidos en contacto con agua provocan una reacción redox exotérmica que desprende hidrógeno. En el caso del sodio, es un agente reductor fuerte, reacciona con el agua para formar hidróxido de sodio e hidrógeno gas. 2Na + 2H2O  2Na+ + 2OH- + H2(g) Reacción de Na con H2O La violencia de la reacción se ve influenciada por la velocidad de la reacción. Esta velocidad aumenta al aumentar la temperatura del agua y el grado de división del sodio. El calor que se desprende la reacción puede ser suficiente para inflamar el hidrógeno y en lugares confinados puede producir una explosión.
  • 8. • Polimerización del óxido de etileno El óxido de etileno es el más simple de los éteres cíclicos. Fórmula del óxido de etileno Es muy reactivo debido a la gran tensión de los enlaces del anillo. El vapor puro o una mezcla del vapor con aire puede descomponer explosivamente, según la reacción: Tiene tendencia a polimerizar. Es una reacción exotérmica. Hay sustancias que catalizan esta polimerización, como bases fuertes, óxido de hierro y otro óxidos metálicos. Si se contamina el óxido de etileno con alguno de los catalizadores de esta reacción, puede llevar a la reacción a descontrolarse y a su explosión. El inicio de la polimerización se detectará únicamente por el aumento de la temperatura del líquido. • Reacción de permanganato de potasio con glicerina El permanganato es un agente oxidante fuerte y la glicerina se puede oxidar fácilmente. Se produce una reacción redox exotérmica entre estas sustancias. La glicerina empieza a quemar por el aumento de la temperatura y se forman gases, la reacción puede ser explosiva y muy peligrosa. 14KMnO4 + 4C3H5(OH)3  7K2CO3 + 7 Mn2O3 + 5CO2 + 16H2O Reacción de KMnO4 con glicerina Sin embargo, si la reacción se realiza en medio básico, se produce una reacción redox controlada en la que la disolución toma un color verdoso debido a la presencia del ión manganato. CONTROL DE REACCIONES EXPLOSIVAS
  • 9. Se pueden tomar dos tipos de medidas sobre una reacción explosiva para minimizar el riesgo que conlleva. Son medidas de prevención o medidas de protección. Resulta más efectivo prevenir una reacción fuera de control que tratar con las consecuencias, así que se deberían elegir siempre las medidas preventivas. • Medidas preventivas Si se va a realizar una reacción química peligrosa se debe extremar el cuidado y se deben tomar una serie de consideraciones para prevenir que esa reacción se descontrole. Entre las medidas a tomar se encuentran: o Utilizar un disolvente que tenga un punto de ebullición por debajo de la temperatura a la cual la mezcla de reacción puede descomponerse exotérmicamente. o Utilizar un sistema de refrigeración avanzado que intercambie el calor con gran efectividad. o Tener especial cuidado en no añadir ningún reactivo erróneo. o Limitar la presión, utilizando un equipo que trabaje a vacío. o Emplear las mínimas cantidades posibles de reactivos. o Reducir la concentración de oxidantes, para mantenerla por debajo de la necesaria para que se produzca la combustión. Esto se puede realizar con un gas inerte. o Utilizar una agitación buena para que el calor pueda disiparse correctamente. o Eliminar completamente las fuentes de ignición en el lugar del proceso. • Medidas de protección Alguna medida de protección podría ser el diseño del sistema para que soporte la máxima presión de la explosión, agregar algún inhibidor a la reacción para disminuir la velocidad de reacción, liberación del gas de una forma controlada, entre otras medidas.
  • 10. BIBLIOGRAFÍA Seguridad contra explosiones Unidad de gestión de residuos - Universidad Nacional de San Luis (Argentina) http://www.ugr.unsl.edu.ar/documentos/explosiones.doc Texto en el que se definen y clasifican las explosiones. Se explica como determinar el potencial explosivo de una sustancia y se da una información sobre como prevenir las explosiones. Seguridad en el Laboratorio de Química Francisco Javier García Alonso - Universidad de Oviedo Se da una introducción a las reacciones explosivas y a los compuestos explosivos haciendo una clasificación de estas sustancias. Sustancias con riesgo de fuego y explosión: peligros específicos de explosión Unidad de gestión de residuos - Universidad Nacional de San Luis (Argentina) http://www.ugr.unsl.edu.ar/documentos/PELIGROS%20ESPECIFICOS%20DE%20E XPLOSION.doc Texto breve en el que se presentan las características de algunos productos que pueden provocar explosiones y fuego. NTP 237: Reacciones químicas peligrosas con el agua Manuel Bestratén Belloví, Tomás Piqué Ardanuy - INSHT http://www.mtas.es/insht/ntp/ntp_237.htm Esta nota técnica de prevención trata las características de algunas reacciones violentas de compuestos con agua. NTP 479: Prevención del riesgo en el laboratorio químico: reactividad de los productos químicos (II) Xavier Guardino Solá - INSHT http://www.mtas.es/insht/ntp/ntp_479.htm En esta NTP se da una explicación de la reactividad de algunas sustancias químicas que pueden ser peligrosas.
  • 11. NTP 478: Prevención del riesgo en el laboratorio químico: reactividad de los productos químicos (I) Xavier Guardino Solá - INSHT http://www.mtas.es/insht/ntp/ntp_478.htm Texto donde se resume las principales características de una reacción química y como prever el resultado de ellas. NTP 302: Reactividad e inestabilidad química: análisis termodinámico preliminar Manuel Bestratén Belloví - INSHT http://www.mtas.es/insht/ntp/ntp_302.htm Esta NTP da una visión de cómo estimar la entalpía de una reacción y como definir el riesgo intrínseco de una sustancia con valores termodinámicos de la reacción. NTP 527: Reacciones químicas exotérmicas (I): factores de riesgo y prevención Silvia Calvet Márquez - INSHT http://www.mtas.es/insht/ntp/ntp_527.htm En este texto se da una explicación de cómo puede descontrolarse una reacción exotérmica y que factores se pueden controlar para diseñar un proceso seguro con este tipo de reacciones. NTP 402: Sistemas supresores de explosión (I). Fundamentos teóricos y medios de extinción Bernardo Méndez Bernal, Emilio Turmo Sierra - INSHT http://www.mtas.es/insht/ntp/ntp_402.htm Expone una visión de algunas características de las explosiones y de los sistemas supresores que se pueden utilizar para eliminarlas. Explosive material Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_explosive Presenta una explicación de los materiales explosivos, clasificándolos de varias maneras, definiendo varias características y termina dando una visión de la medida termodinámica de una reacción explosiva.
  • 12. Detonation Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Detonation Este texto explica que es una detonación, como se pueden producir y algunas de sus aplicaciones más importantes. Deflagration Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Deflagration Define que es una deflagración y sus aplicaciones, extendiéndose en la física de la llama. El fuego o combustión Félix Esparza – Bomberos de Navarra (España) http://www.bomberosdenavarra.com/manual/fuego.pdf El texto da una visión general de lo que es el fuego, un incendio y una explosión y las distintas características de cada una de ellas. Acetone Peroxide Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Acetone_peroxide Este texto presenta una explicación del peróxido de acetona con sus propiedades físicas más importantes, algunas de sus reacciones y sus aplicaciones más generales. Chemical synthesis/Acetone peroxide Wikibooks http://en.wikibooks.org/wiki/Chemical_synthesis/Acetone_peroxide El escrito propone una síntesis del peróxido de acetona, especificando los peligros que se pueden encontrar al realizarla. Sodium Amide F. W. Bergstrom - Organic Syntheses http://www.orgsyn.org/orgsyn/prep.asp?prep=cv3p0778 Este texto propone una síntesis para la amida de sodio y refleja alguno de los riesgos que pueden presentarse durante la síntesis y alguna reacción secundaria.
  • 13. Peroxide forming chemicals Texas A&M University (USA) http://safety.science.tamu.edu/peroxideformers.html El texto ofrece una lista de sustancias que pueden formar peróxidos, como detectarlos sencillamente en el laboratorio y las precauciones que se deben tener al manejar este tipo de compuestos explosivos. Oxydation of Glycerin by Potassium Permanganate Journal of Chemical Education http://jchemed.chem.wisc.edu/jcesoft/cca/cca3/MAIN/GLYCER/PAGE1.HTM Explica por encima la reacción del KMnO4 con la glicerina proporcionando fotografías y un vídeo de esta reacción. Reaction of Potassium Permanganate with Glycerin William C. Deese – Dead Chemists’ Society http://www.deadchemistssociety.com/kmno4glycerin.pdf El texto da un procedimiento para realizar la reacción del permanganato de potasio con la glicerina en medio básico y muy por encima explica los resultados y los peligros de ella. Sodium Peroxide Deflagration Sam Barros’ Powerlabs http://www.powerlabs.org/chemlabs/nadeflag.htm Es un escrito que presenta el resultado de varias reacciones con peróxido de sodio como reactivo. Sodium Amide Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_amide Texto que explica que es la amida de sodio, sus usos y algunas reacciones en las que interviene. Reactive and Explosive Chemicals Laboratory Safety – Boston University http://www.bu.edu/ehs/labsafety/pdf/soprct.pdf Ofrece una clasificación de los compuestos químicos explosivos y algunas condiciones de seguridad que se deben tomar al tratar con ellos. Sodium in Water David W. Brooks http://dwb.unl.edu/chemistry/DoChem/DoChem046.html Describe la reacción del sodio con agua con pocos detalles y las precauciones que se deben tomar al realizarla.
  • 14. Reaction of Sodium with Water A.J. Meixner – Universität Siegen (Deutschland) http://www2.uni-siegen.de/~pci/versuche/english/v44-1-1.html Explicación con fotografías de la reacción química del sodio con agua. R.D. 379/2001 ITC MIE-APQ 2: Almacenamiento de óxido de etileno Ministerio de Ciencia y Tecnología http://www.mtas.es/insht/legislation/RD/APQ_002.htm Real Decreto que legisla sobre el almacenamiento del óxido de etileno. Da una explicación de los riesgos que pueden existir al almacenar óxido de etileno y como protegerse de ellos. Ethylene Oxide http://www.ethyleneoxide.com/ Información muy completa dada por varias compañías químicas sobre el óxido de etileno, sus propiedades, efectos peligrosos, reactividad, etc.