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Quimica 1° · 2024
Libro de Química 1 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

113/210

Metano en botaderos y pantanos; octanaje y gasolinas con y sin plomo

📄 ejercicios quimica 🎓 bachillerato · 1° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

1.a: El olor proviene del H₂S y de los mercaptanos, no del metano (inodoro). 1.c: La descomposición anaerobia produce biogas (50–60 % CH₄); sí es aprovechable para generar electricidad y calor. 2.a: El octanaje es la medida antidetonante de la gasolina: isooktano = 100, n-heptano = 0. 2.b: Con plomo es barata y antidetonante pero tóxica y contamina; sin plomo permite catalizadores y protege la salud, pero exige aditivos y motores modernos.

📚 exercise quimica ⭐⭐⭐ Dificultad 3/5 ⏱ 4 min lectura

Solución — Página 113

Quimica 1° · 2024

1
Ejercicio 1

Afirmación del libro: El metano se produce por la descomposición de materia orgánica y se puede formar en los pantanos y en los botaderos. Se pide investigar, indagar, explicar, relacionar gráficamente y sacar conclusiones.

a
Parte 1.a

¿Por qué existe "olor a gas" en pantanos y botaderos?

  1. La materia orgánica (restos vegetales, animales, excretas, comida) se acumula y queda en un ambiente sin oxígeno (anaerobio).
  2. Los microorganismos fermentadores la degradan: la reacción global simplificada es

\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \longrightarrow 3\,\text{CH}_4 + 3\,\text{CO}_2

  1. Ese gas, llamado biogas, contiene aproximadamente 50–60 % de metano, 40–45 % de dióxido de carbono, y trazas de sulfuro de hidrógeno (\text{H}_2\text{S}), mercaptanos, alcoholes y ácidos grasos volátiles.
  2. El metano en sí mismo es inodoro, pero el \text{H}_2\text{S} (olor a huevo podrido) y los mercaptanos (olor a cebolla, a gas licuado) son los que producen el característico "olor a gas" de los pantanos y los botaderos.
  3. En los pantanos el mismo proceso se llama gas de pantano (marsh gas); en los botaderos es el gas de vertedero (landfill gas).
Respuesta

El olor proviene de gases de descomposición anaerobia, sobre todo del \text{H}_2\text{S} y de los mercaptanos, no del metano (que es inodoro).

b
Parte 1.b

¿Existen botaderos en mi ciudad o lugar de residencia?

Actividad de indagación personal. En Ecuador la mayoría de ciudades cuentan con un botadero oficial o un sitio de disposición final (por ejemplo, el botadero de la ciudad de Quito, en El Inca, o el de Guayaquil). El estudiante debe:

  1. Preguntar en la municipalidad o consultar el plan de manejo de residuos sólidos del cantón.
  2. Verificar con búsquedas en el periódico local o en la página web de la municipalidad.
  3. Registrar el nombre del sitio, su ubicación aproximada, la población que abastece y si dispone de captación de gas.

Respuesta orientativa: Sí, la mayoría de las ciudades ecuatorianas poseen al menos un botadero o punto de acopio de residuos, generalmente en la periferia urbana; el dato concreto debe investigarse en la municipalidad respectiva.

c
Parte 1.c

¿Por qué se produce gas en los botaderos? ¿Se puede usar con fines industriales?

  1. Al acumularse toneladas de materia orgánica en capas compactadas, el oxígeno disuelto se agota y el ambiente se vuelve reductor (anaerobio).
  2. Actúan primero bacterias fermentadoras y después arqueas metanogénicas (Methanosarcina, Methanobacterium) que reducen el \text{CO}_2 y los compuestos intermedios a metano:

\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2 \longrightarrow \text{CH}_4 + 2\,\text{H}_2\text{O}

  1. Al gas se lo llama biogas o gas de vertedero: 50–60 % \text{CH}_4, 40–45 % \text{CO}_2.
  2. Sí es utilizable industrialmente. El metano es un combustible con poder calorífico alto (~39,8 MJ/m³). Las plantas de recuperación de gas de vertedero producen electricidad mediante motores de gas o turbinas de vapor, y calor para calefacción o procesos industriales (cogeneración). En varias ciudades europeas y norteamericanas más del 80 % del gas de vertedero se recupera.
  3. Además, capturar el metano evita su emisión: su potencial de calentamiento global es de aproximadamente 25–28 veces el del \text{CO}_2 en un horizonte de 100 años, por lo que la captación es una estrategia de mitigación del cambio climático.
  4. Riesgos: si no se purifica, el \text{H}_2\text{S} y el agua condensada corroyen los equipos; el gas debe secarse y desulfurarse antes de su uso.
Respuesta

El gas se produce por fermentación anaerobia de la materia orgánica; sí es aprovechable para generar electricidad y calor, y su captación reduce significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero.

e
Parte 1.e

Gráfico: cantidad de basura y porcentaje por botadero

Como ejemplo ilustrativo (los datos reales deben obtenerse en la municipalidad), supongamos que la ciudad cuenta con cuatro sitios de disposición con los siguientes volúmenes:

Botadero Basura acumulada (t/mes) Porcentaje
Botadero A 3 000 42,9 %
Botadero B 2 000 28,6 %
Botadero C 1 200 17,1 %
Botadero D 800 11,4 %
Total 7 000 100 %

Cálculo de un porcentaje (Botadero A):

\%\,A = \frac{3\,000}{7\,000}\times 100 = 42,9\,\%

El mismo procedimiento se repite para cada botadero.

pie showData
    title Distribución de basura acumulada por botadero (t/mes)
    "Botadero A" : 3000
    "Botadero B" : 2000
    "Botadero C" : 1200
    "Botadero D" : 800
f
Parte 1.f

Conclusiones

  1. La descomposición anaerobia de la materia orgánica es el origen del metano en pantanos y botaderos; el olor característico se debe al \text{H}_2\text{S} y a los mercaptanos, no al metano.
  2. La generación de gas de vertedero es inevitable si no se controla la fracción orgánica de los residuos, pero puede transformarse de un problema en un recurso energético.
  3. La solución integral combina: separación y reciclaje, compostaje de la materia orgánica, captación del gas, cosecha hídrica y disminución del volumen de residuos.
  4. El metano es inodoro e incoloro; por eso los botaderos pueden acumular grandes volúmenes de gas sin advertencia, y por eso son potencialmente peligrosos (riesgo de asfixia y de explosión).

2
Ejercicio 2

(Actividad para trabajo en grupo)

a
Parte 2.a

¿Qué significa octanaje?

  1. El octanaje o número de octano es una medida de la resistencia de una gasolina al golpe de arietes (knocking): la combustión prematura y violenta de la mezcla aire-gasolina en el cilindro.
  2. Se define por comparación con dos hidrocarburos patrones:
    • Isooctano (2,2,4-trimetilpentano), \text{C}_8\text{H}_{18} ramificado, que resiste perfectamente el golpe: se le asigna 100.
    • n-Heptano, \text{C}_7\text{H}_{16} lineal, que golpea con facilidad: se le asigna 0.
  3. Un combustible de octanaje 90 equivale, en comportamiento antiknock, a una mezcla de 90 % de isooktano y 10 % de n-heptano.
  4. En las gasolinas comerciales de Ecuador y Latinoamérica se usan dos escalas: la RON (Research Octane Number), que corresponde al número de octano comercial, y la MON (Motor Octane Number), siempre menor; la diferencia es el "sensibilidad" del combustible.
  5. A mayor octanaje, mayor es la relación de compresión admisible y, por lo tanto, mayor eficiencia y potencia del motor.
  6. El octanaje se eleva naturalmente con los hidrocarburos ramificados (isómeros) y se incrementa con aditivos como los alquilatos, el metil-terbutil éter (MTBE) o los compuestos de etileno (antes, el tetraetilo de plomo).
Respuesta

El octanaje es la medida de la capacidad antidetonante de una gasolina, expresada como número de octano, donde el isooktano vale 100 y el n-heptano vale 0.

b
Parte 2.b

Gasolina con plomo frente a gasolina sin plomo

El aditivo clásico fue el tetraetilo de plomo (TEL), \text{Pb}(\text{C}_2\text{H}_5)_4. En la combustión el plomo se convierte en óxido de plomo, que recubre la cámara de combustión y absorbe la energía del golpe de arietes:

\text{Pb}(\text{C}_2\text{H}_5)_4 + 19\,\text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{PbO} + 16\,\text{CO}_2 + 14\,\text{H}_2\text{O}

Hidrocarburos Ventajas Desventajas
Gasolina con plomo • Muy buen poder antidetonante con costos bajos. • Protege las válvulas y sus asientos por la lubricación del óxido de plomo. • Permite motores de alta compresión y mayor eficiencia. • No exige convertidores catalíticos ni gasolina especial. • Emite partículas de plomo tóxico al aire. • El plomo es neurotóxico: daña el sistema nervioso, en especial en niños (menor coeficiente intelectual, problemas de aprendizaje). • Contamina suelos y aguas. • Envenena y satura los catalizadores de tres vías. • Genera residuos peligrosos en los taller y en los motores.
Gasolina sin plomo • Permite instalar el convertidor catalítico, que reduce CO, NOₓ e hidrocarburos sin quemar. • No emite plomo: aire más limpio y menos daño a la salud. • Menor contaminación de suelos y aguas. • Compatible con los motores modernos y con sensores de oxígeno. • Menos depósitos en la cámara de combustión y en los inyectores. • Requiere motoles y sistemas de admisión diseñados para ella; exige gasolina de especificación concreta (en Ecuador, G95 o G91). • Necesita sustitutos del plomo para elevar el octanaje (MTBE, ETBE, benceno, alquilatos, etanol), que también tienen efectos ambientales (el MTBE contamina las aguas subterráneas y el benceno es cancerígeno). • Mayor costo del combustible y de los aditivos.

Ecuación de combustión del octano (gasolina modelo):

2\,\text{C}_8\text{H}_{18} + 25\,\text{O}_2 \longrightarrow 16\,\text{CO}_2 + 18\,\text{H}_2\text{O}

Respuesta

La gasolina con plomo (TEL) es barata y antidetonante pero envenena a las personas y contamina el aire, el suelo y el agua; la gasolina sin plomo protege la salud y permite el uso de catalizadores, aunque requiere motores y aditivos más costosos para mantener el octanaje.

Contenido de la página

RETO

1. Leo la siguiente afirmación

El metano se produce por la descomposición de materia orgánica y se puede formar en los pantanos y en los botaderos. A continuación, realiza las siguientes actividades:

  • a) Investigo y explico la existencia de "olor a gas" en los pantanos y botaderos.
  • b) Indago si en mi ciudad o lugar de residencia existen botaderos.
  • c) Respondo: ¿Por qué se produce gas en los botaderos? ¿Es posible utilizar el gas producido en un botadero para fines industriales en las ciudades?
  • e) Relaciono mediante un gráfico, la cantidad de basura acumulada en cada botadero de la ciudad y sus porcentajes correspondientes.
  • f) Escribo las conclusiones y expongo en clases.

ACTIVIDAD PARA TRABAJO EN GRUPO

2. Me reúno en equipos y respondemos las siguientes preguntas. Completamos el cuadro con los datos investigados:

  • a) ¿Qué significa octanaje?
  • b) ¿Qué ventajas y desventajas tiene la gasolina con plomo y sin plomo para el ambiente y los seres humanos?
Hidrocarburos Ventajas Desventajas
Gasolina con plomo
Gasolina sin plomo

METACOGNICIÓN

Respondo estas preguntas de manera individual y luego las comparto en una plenaria para establecer un diálogo acerca del aprendizaje desarrollado en la sección.

  1. ¿Qué he aprendido?
  2. ¿Cómo lo he aprendido?
  3. ¿Para qué me ha servido?
  4. ¿En qué otras ocasiones puedo usarlo?

Texto de Química — página 112

Ejemplos resueltos

Si una ciudad genera 7 000 t/mes de residuos y el Botadero A recibe 3 000 t/mes, ¿qué porcentaje representa?

  1. Identificar los datos: parte = 3 000 t; total = 7 000 t.
  2. Sustituir en la fórmula: \%\,A = \frac{3\,000}{7\,000}\times 100.
  3. Dividir: \frac{3\,000}{7\,000} = 0{,}4286.
  4. Multiplicar por 100: 0{,}4286\times 100 = 42{,}9\,\%. Respuesta: El Botadero A representa el 42,9 % de la basura acumulada de la ciudad.

¿Cuánta mezcla de isooktano y n-heptano equivale a una gasolina de octanaje 90?

  1. Un número de octano N indica una mezcla equivalente en comportamiento antidetonante a N % de isooktano y (100 − N) % de n-heptano.
  2. Sustituyendo N = 90: 90\,\% de isooktano y 100-90 = 10\,\% de n-heptano. Respuesta: La gasolina de octanaje 90 equivale a una mezcla de 90 % de isooktano y 10 % de n-heptano.

Balancea la formación de metano a partir de glucosa durante la fermentación.

  1. Reactivo: \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6; productos: \text{CH}_4 y \text{CO}_2.
  2. Balancear carbonos: 6 C en el reactivo; se distribuyen entre 3 CO₂ y 3 CH₄ (3 + 3 = 6).
  3. Balancear hidrógenos: 12 H del reactivo → 12 H en 3 CH₄.
  4. Balancear oxígenos: 6 O del reactivo → 6 O en 3 CO₂.
  5. Ecuación: \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \longrightarrow 3\,\text{CH}_4 + 3\,\text{CO}_2. Respuesta: \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \longrightarrow 3\,\text{CH}_4 + 3\,\text{CO}_2.

Tablas (2)

Hidrocarburos Ventajas Desventajas
Gasolina con plomo (TEL) Buen poder antidetonante y bajo costo; protege válvulas y asientos; permite motores de alta compresión Emite plomo tóxico; daña el sistema nervioso (especialmente en niños); contamina aire, suelo y agua; inactiva los convertidores catalíticos
Gasolina sin plomo Permite el uso del convertidor catalítico; no emite plomo; aire más limpio y menor daño a la salud; compatible con motores modernos Requiere aditivos más costosos para el octanaje (MTBE, ETBE, alquilatos, benceno); exige gasolina con especificación técnica (G91/G95)
Botadero Basura acumulada (t/mes) Porcentaje
Botadero A 3 000 42,9 %
Botadero B 2 000 28,6 %
Botadero C 1 200 17,1 %
Botadero D 800 11,4 %
Total 7 000 100 %

Diagramas (2)

pie showData
    title Distribución de basura acumulada por botadero (t/mes)
    "Botadero A" : 3000
    "Botadero B" : 2000
    "Botadero C" : 1200
    "Botadero D" : 800
flowchart TD
    A[Materia orgánica] --> B[Ambiente anaerobio]
    B --> C[Bacterias fermentadoras]
    C --> D[Biogas: CH4 50-60 % + CO2 40-45 %]
    D --> E[H2S y mercaptanos --> olor a gas]
    D --> F[Captación, secado y desulfuración]
    F --> G[Generación de electricidad y calor]
    F --> H[Emisión evitada --> menor efecto invernadero]

Fórmulas y ecuaciones

Número de octano: mezcla patrón de isooktano (100) y n-heptano (0)

Porcentaje: (parte / total) × 100

Potencial de calentamiento global del CH₄ ≈ 25–28 veces el del CO₂ (100 años)

Poder calorífico del metano ≈ 39,8 MJ/m³

\text{C}_6\text{H}@@MATH_0@@\text{O}_6 \longrightarrow 3\,\text{CH}_4 + 3\,\text{CO}_2

\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2 \longrightarrow \text{CH}_4 + 2\,\text{H}_2\text{O}

2\,\text{C}_8\text{H}_{18} + 25\,\text{O}_2 \longrightarrow 16\,\text{CO}_2 + 18\,\text{H}_2\text{O}

\text{Pb}(\text{C}_2\text{H}_5)_4 + 19\,\text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{PbO} + 16\,\text{CO}_2 + 14\,\text{H}_2\text{O}

\%\,\text{botadero} = \frac{\text{basura del botadero}}{\text{basura total}}\times 100

\text{Número de octano} = \frac{V(\text{isooktano})}{V(\text{isooktano})+V(\text{n-heptano})}\times 100

Glosario (9)

Metano
Hidrocarburo de fórmula CH₄, el más sencillo de la serie de los alcanos; producto principal de la descomposición anaerobia de la materia orgánica.
Descomposición anaerobia
Degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno por acción de bacterias fermentadoras y arqueas metanogénicas.
Biogás
Mezcla gaseosa (aproximadamente 50–60 % CH₄ y 40–45 % CO₂) obtenida de la fermentación de materia orgánica; también llamada gas de vertedero o gas de pantano.
Octanaje
Medida de la resistencia de una gasolina al golpe de arietes, expresada como número de octano.
Golpe de arietes (knocking)
Combustión prematura y violenta de la mezcla aire-gasolina que produce golpes mecánicos y pérdida de potencia en el motor.
Isooktano
2,2,4-trimetilpentano (C₈H₁₈ ramificado), patrón de referencia con número de octano 100.
Tetraetilo de plomo (TEL)
Compuesto organometálico Pb(C₂H₅)₄ usado como aditivo antidetonante de la gasolina; causa grave contaminación por plomo.
Convertidor catalítico
Dispositivo que transforma CO, NOₓ e hidrocarburos sin quemar en CO₂, N₂ y H₂O; se inactiva ante la presencia de plomo.
Potencial de calentamiento global
Capacidad relativa de un gas de producir efecto invernadero; el metano equivale a unas 25–28 veces el CO₂ en 100 años.

Preguntas para practicar

¿Qué he aprendido? ¿Cómo lo he aprendido? ¿Para qué me ha servido? ¿En qué otras ocasiones puedo usarlo?

He aprendido que el metano de los botaderos y pantanos se origina en la descomposición anaerobia de la materia orgánica y que, aunque es inodoro, sus gases acompañantes (H₂S y mercaptanos) producen el olor a gas; también comprendí el concepto de octanaje y por qué el plomo se eliminó de la gasolina. Aprendí mediante la investigación documental, la consulta en fuentes municipales y el trabajo colaborativo en grupo. Me sirve para comprender cómo la química explica problemas ambientales de mi ciudad y para tomar decisiones informadas sobre reciclaje y manejo de residuos. Puedo usarlo al analizar noticias sobre contaminación del aire, al revisar el octanaje recomendado para un vehículo o al proponer mejoras al plan de manejo de residuos de mi cantón.

¿Es posible utilizar el gas producido en un botadero para fines industriales en las ciudades?

Sí. El gas de vertedero contiene entre 50 % y 60 % de metano, que se puede secar, desulfurar y quemar para producir electricidad mediante motores de gas o turbinas, y calor mediante cogeneración para procesos industriales. Además, capturar el metano evita que se emita a la atmósfera, ya que su potencial de calentamiento global es 25–28 veces el del dióxido de carbono.

Temas y conceptos clave

Metano por descomposición de materia orgánicaGas de pantano y gas de vertedero (biogás)Recuperación y aprovechamiento energético del gas de vertederoOctanaje o número de octanoTetraetilo de plomo (TEL) y gasolina sin plomoMetano (CH₄)Descomposición anaerobiaBiogás / gas de vertederoSulfuro de hidrógeno (H₂S) y mercaptanosOctanaje (RON y MON)Isooktano y n-heptanoTetraetilo de plomo (TEL)Convertidor catalíticoPotencial de calentamiento global del metano

Fuentes y referencias

  • Ecuación estándar de fermentación anaerobia de la glucosa (metanogénesis)
  • Escala de número de octano: isooktano (2,2,4-trimetilpentano) = 100 y n-heptano = 0
  • Potencial de calentamiento global del metano (GWP ≈ 25–28, AR6, IPCC)
  • Poder calorífico del metano ≈ 39,8 MJ/m³
  • Composición típica del gas de vertedero: 50–60 % CH₄ y 40–45 % CO₂
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Figuras de la página (1)

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Figura 1 image

Preguntas que la gente también hace

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📌 Antes de leer esto
  • • Nomenclatura básica de hidrocarburos (alcanos, alquenos, alquinos)
  • • Formulación y balance de ecuaciones químicas
  • • Concepto de combustión completa e incompleta
  • • Noción de gases de efecto invernadero
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E) nero )

  1. Leo la siguiente afirmación:

El metano se produce por la descomposición de materia orgánica y se puede formar en los pantanos y en los botaderos. A continuación, realiza las siguientes actividades:

a) Investigo y explico la existencia de “olor a gas” en los pantanos y botaderos.

b) Indago si en mi ciudad o lugar de residencia existen botaderos.

C) Respondo: ¿Por qué se produce gas en los botaderos? ¿Es posible utilizar el gas producido en un botadero para fines industriales en las ciudades?

e) Relaciono mediante un gráfico, la cantidad de basura acumulada en cada botadero de la ciudad y sus porcentajes correspondientes

f) Escribo las conclusiones y expongo en clases..

@ activipap PARA TRABAJO EN GRUPO }

  1. Me reúno en equipos y respondemos las siguientes preguntas. Completamos el cuadro con los datos investigados:

a) ¿Qué significa octanaje? b) ¿Qué ventajas y desventajas tiene la gasolina con plomo y sin plomo para el ambiente y los seres humanos?

Hidrocarburos Ventajas Desventajas

Gasolina con plomo

Gasolina sin plomo

"O / METACOGNICIÓN )

Respondo estas preguntas de manera individual y luego las comparto en una ¿Para qué me ha servido? plenaria para establecer un diálogo

acerca del aprendizaje desarrollado en ¿Cómo lo he aprendido? la sección.

¿En qué otras ocasiones puedo usarlo?

¿Qué he aprendido?

112 | Texto de Química

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