Combustione

Combustione significato

Molti di noi hanno apprezzato la gioia di stare intorno a un falò in una fredda sera invernale, magari abbrustolendo marshmallow o sorseggiando una cioccolata calda. In effetti, il fuoco non è un segreto: è stato usato dai nostri antenati per oltre 1 milione di anni!² Le fiamme sprigionate sono il risultato di una reazione di combustione.

Le reazioni di combustione hanno molteplici usi nella vita quotidiana, grazie all'energia termica che rilasciano. Ad esempio, utilizziamo le reazioni di combustione per:

• Riscaldare le nostre case.
• Cuocere il nostro cibo.
• Alimentare i nostri dispositivi.
• Far funzionare le fabbriche e le centrali elettriche.
• Produrre elettricità.

In effetti, è difficile pensare a una parte della nostra esistenza moderna che non si basi sulla combustione in un modo o nell'altro!

Tipi di reazione di combustione

Ci sono due diversi tipi di reazioni di combustione:

• Combustione completa
• Combustione incompleta

Variano in base alle condizioni, ai prodotti e alle quantità relative di energia rilasciata. Diamo una breve occhiata.

Combustione completa

Nella combustione completa, un combustibile viene bruciato in eccesso di ossigeno. Come combustibile usiamo comunemente gli idrocarburi. La combustione di un idrocarburo ossida i suoi atomi di carbonio e idrogeno, producendo anidride carbonica e acqua. Ma la cosa più importante è che la combustione completa rilascia anche molta energia termica nell'ambiente.

L'equazione per la combustione completa del metano è riportata di seguito:

CH₄(g) + 2O₂(g) ⟶ CO₂(g) + 2H₂O(g) ΔH° = - 802.3 kJ mol^-1

Si noti la variazione entalpica è negativa. Ciò dimostra che la reazione è esotermica.

Combustione incompleta

Nella combustione incompleta, il combustibile viene bruciato in presenza di una quantità limitata di ossigeno. Ciò significa che non c'è abbastanza ossigeno per ossidare completamente tutti gli atomi di carbonio del combustibile in anidride carbonica. Al contrario, essi vengono parzialmente ossidati in monossido di carbonio. Se l'ossigeno è davvero in quantità limitate, gli atomi di carbonio non vengono ossidati affatto, ma vengono rilasciati come carbonio puro, sotto forma di fuliggine. Sebbene sia comunque esotermica, la combustione incompleta è molto meno efficiente di quella completa e quindi rilascia meno energia.

Osserva le due equazioni seguenti per la combustione incompleta del metano:

CH₄(g) + 3/2O₂(g) ⟶ CO(g) + 2H₂O(g) ΔH° = - 519.3 kJ mol^-1

CH₄(g) + O₂(g) ⟶ CO(g) + 2H₂O(g) ΔH° = - 408.8 kJ mol^-1

Confrontale con l'equazione illustrata in precedenza per la combustione completa del metano.

• La combustione completa richiede più ossigeno di quella incompleta. In questo caso, la combustione completa richiede almeno due moli di ossigeno per ogni mole di metano, mentre la combustione incompleta ne richiede solo una.
• La combustione completa rilascia più energia di quella incompleta.

Equazioni della combustione

Sei pronto a imparare a scrivere le equazioni di combustione? Proviamo. Prima, però, una breve nota: durante la vostra formazione di chimici, probabilmente vi sarà stato detto di scrivere sempre equazioni con numeri interi. Le equazioni di combustione sono un'eccezione a questa regola. In questo caso, far reagire mezza mole di molecole di ossigeno è perfettamente accettabile.

Ecco come scrivere e bilanciare le equazioni per la combustione (completa) degli idrocarburi:

1. Scrivi un'equazione non bilanciata, ricordando che i prodotti saranno anidride carbonica e acqua. Ricorda anche che le equazioni di combustione utilizzano una sola mole di combustibile, ma il numero di moli di anidride carbonica, acqua e ossigeno può variare.
2. Per bilanciare l'equazione, concentrati innanzitutto sul carbonio. Conta il numero di atomi di carbonio presenti nel combustibile e bilancia l'equazione aggiungendo altre moli di anidride carbonica nel lato destro.
3. Successivamente, si esamina l'idrogeno. Conta il numero di atomi di idrogeno nel tuo carburante e bilancia l'equazione aggiungendo altre moli di acqua al lato destro.
4. Infine, controlla l'ossigeno. Conta il numero di atomi di ossigeno presenti sia nell'anidride carbonica sia nell'acqua e bilancia l'equazione aggiungendo altre moli di ossigeno nel lato sinistro.

Impatto ambientale della combustione

Come accennato all'inizio di questo articolo, le reazioni di combustione svolgono un ruolo importante nella nostra vita. In particolare, ci affidiamo a combustibili ricavati da idrocarburi, come il carbone, il gas e i derivati del petrolio greggio. Per esempio, la tua auto probabilmente funziona a benzina o a diesel, entrambi derivati dal petrolio greggio, e la tua casa potrebbe essere riscaldata da una caldaia a gas. Tuttavia, la pressione sui governi, sulle imprese e sui consumatori affinché abbandonino gli idrocarburi e si orientino verso le fonti di energia rinnovabili è in costante aumento. Ciò è dovuto in parte ai prodotti delle reazioni di combustione degli idrocarburi e al loro impatto ambientale negativo. Li analizzeremo ora.

Diossido di carbonio

Come abbiamo appreso in precedenza, la combustione completa degli idrocarburi rilascia anidride carbonica. L'anidride carbonica può essere un problema perché è un potente gas serra.

Intrappolando il calore solare, i gas serra riscaldano il pianeta e contribuiscono al riscaldamento globale. Tuttavia, è evidente che dall'inizio della rivoluzione industriale, quando abbiamo iniziato a bruciare idrocarburi su scala di massa (aumentando così rapidamente i livelli atmosferici di particelle di anidride carbonica), le temperature medie globali sono salite alle stelle. Attualmente, il nostro pianeta è più caldo di circa 1,1 °C rispetto al 1880, anno in cui sono iniziate le registrazioni delle temperature.³ L'aumento della temperatura è stato accompagnato da un numero crescente di casi di fenomeni meteorologici estremi, di crolli dei raccolti e di estinzioni di massa. Naturalmente, la correlazione tra l'aumento dei livelli di CO₂ e la temperatura potrebbe essere solo un'enorme coincidenza, ma le prove dimostrano sempre più spesso il contrario.

Monossido di carbonio e particelle di carbonio

A differenza della combustione completa, quella incompleta non produce anidride carbonica. Rilascia invece monossido di carbonio e carbonio puro. Questi prodotti non sono migliori del loro cugino gas serra! Ad esempio, il monossido di carbonio è altamente tossico per l'uomo e gli animali. Inoltre, è inodore e incolore, il che lo rende difficile da individuare e quindi ancora più letale. Le particelle di carbonio della fuliggine, invece, possono causare irritazione respiratoria, alcuni tipi di cancro e l'oscuramento globale. Non è il caso di respirare nessuna di queste sostanze!

Anidride solforosa

Purtroppo, i prodotti a base di carbonio e acqua non sono gli unici prodotti della combustione. Infatti, i nostri combustibili sono tipicamente impuri, pieni di contaminanti. Queste impurità vengono poi rilasciate nell'atmosfera quando i combustibili vengono bruciati. Una di queste impurità comuni è lo zolfo, che bruciando produce anidride solforosa. L'anidride solforosa reagisce con l'ossigeno e l'acqua presenti nell'aria formando le piogge acide, una sostanza corrosiva che danneggia edifici, monumenti, habitat e piante.

Ossidi di azoto

Un altro inquinante prodotto nelle reazioni di combustione è il protossido di azoto. Si forma perché alcuni combustibili, come quelli utilizzati nei motori a combustione, richiedono temperature elevate per bruciare efficacemente. Tali temperature elevate fanno sì che l'azoto e l'ossigeno dell'aria reagiscano producendo ossidi nitrosi. Come il biossido di zolfo, gli ossidi di azoto possono formare piogge acide. Inoltre, causano difficoltà respiratorie e smog fotochimico.

Limitare l'impatto della combustione

Riscaldamento globale, piogge acide, smog: dopo aver esaminato gli impatti negativi della combustione di combustibili come gli idrocarburi, ci si potrebbe chiedere perché non interrompere del tutto queste reazioni di combustione. Si tratta di valutare i pro e i contro. Gli idrocarburi non solo sono abbondanti e facili da reperire, ma rilasciano anche molta energia quando vengono bruciati. Per questo motivo sono ottimi combustibili e non è facile abbandonarli completamente. Tuttavia, gli scienziati hanno lavorato duramente per trovare modi per ridurre gli effetti della combustione degli idrocarburi sull'ambiente. Tra questi vi sono:

• Desolforazione dei gas di scarico.
• Convertitori catalitici.
• Alternative di combustibile a zero emissioni di carbonio

Desolforazione dei gas di scarico

Il gas di scarico è il gas prodotto dalla combustione del carbone nelle centrali elettriche. Contiene anidride solforosa a causa delle impurità presenti nel combustibile. Possiamo rimuovere lo zolfo attraverso la desolforazione dei gas di scarico, facendo reagire i gas di scarico con ossido di calcio e acqua o carbonato di calcio e ossigeno. In questo modo si forma il gesso, un prodotto vendibile utilizzato per la produzione di cartongesso.

Per esempio:

CaCO₃(s) + 1/2O₂(g) + SO₂(g) ⟶ CaSO₄(s) + CO₂(g)

Convertitori catalitici

Nel 1993 è stato introdotto l'obbligo per tutte le nuove autovetture del Regno Unito di montare i convertitori catalitici sugli scarichi. Le marmitte catalitiche riducono infatti la quantità di monossido di carbonio, ossidi di azoto e idrocarburi incombusti presenti nei fumi di scarico dei motori a combustione interna dei veicoli. Ecco come funzionano:

• I convertitori catalitici hanno una forma a nido d'ape per massimizzare la loro superficie.
• Sono rivestiti di metalli di platino e rodio, che agiscono come catalizzatori. Questi metalli sono distribuiti in modo sottile per ridurre al minimo la quantità necessaria.
• Quando i gas di scarico escono dal motore, passano attraverso il convertitore catalitico e reagiscono formando prodotti meno nocivi:
  • Il monossido di carbonio (CO) reagisce con gli ossidi nitrosi (NO_x) per produrre azoto (N₂) e anidride carbonica (CO₂).
  • Gli idrocarburi incombusti (C_xH_y) reagiscono con i protossidi di azoto per produrre azoto, anidride carbonica (CO₂) e acqua (H₂O).

Alternative a zero emissioni di carbonio

Come sapete, la combustione di combustibili fossili come il carbone e il gas provoca un aumento netto dei livelli di anidride carbonica nell'atmosfera. Questo è fortemente legato al riscaldamento globale. Ma cosa succederebbe se potessimo trovare un combustibile che non produce emissioni complessive di carbonio e quindi non riscalda il nostro pianeta? Ebbene, questi combustibili esistono davvero! Diciamo che sono neutrali rispetto al carbonio.

Esempi di carburanti a zero emissioni sono i biocarburanti e i carburanti sintetici:

• I biocarburanti sono prodotti da biomasse, come la canna da zucchero o il legno. Sono veloci da coltivare e tutto il carbonio che rilasciano al momento della combustione è assorbito durante la loro vita. Tuttavia, i fertilizzanti, l'acqua e la terra necessari per la produzione di biocarburanti possono creare altri problemi, come la sicurezza alimentare, la monocoltura e la deforestazione.
• I carburanti sintetici sono idrocarburi artificiali. Si ottengono dall'anidride carbonica catturata dall'aria e dall'idrogeno prodotto per elettrolisi.