COMBUSTIONE (CHIMICA)

Se poniamo una candela accesa sotto un bicchiere di vetro capovolto (più alto della candela !), osserviamo che, dopo un certo tempo, la candela si spegne. Ciò avviene perchè si esaurisce l’Ossigeno presente nell’aria contenuta all’interno del bicchiere (l’aria è costituita all’incirca dal 78% di Azoto (N2), dal 21% di Ossigeno (O2) e dall’1% da altri gas).
Esiste anche una versione più sofisticata di questo esperimento, nella quale la base della candela è fissata sul fondo di una bacinella di acqua più larga della bocca del bicchiere capovolto che, a sua volta, poggia su tre monete poste sul fondo della bacinella, in modo che l’acqua possa passare dalla bacinella al bicchiere: si osserva che il livello dell’acqua sale nel bicchiere, man mano che l’Ossigeno si consuma.
Questo semplice esperimento che abbiamo descritto è una combustione, fenomeno nel quale una sostanza definita combustibile (nel nostro caso la cera della candela), reagisce chimicamente con una sostanza definita comburente (nel nostro caso l’Ossigeno).
In effetti la maggior parte delle combustioni avvengono all’aria e quindi l’Ossigeno è decisamente il comburente più comune, anche se ne esistono altri (Cloro, Fluoro etc …).
La combustione è una reazione chimica esotermica, cioè che sviluppa calore, ed il suo schema generale può essere il seguente:

Combustibile + Ossigeno —–> Prodotti della Combustione + Calore

Il Calore sviluppato in una combustione si misura in “calorie”. Una caloria (simbolo cal) si definisce in Fisica come quella piccola quantità di calore necessaria a portare la temperatura di un grammo d’acqua distillata da 14,5 °C a 15,5 °C, alla pressione di una atmosfera.
Dato che la caloria è una unità di misura molto piccola, si preferisce usare la Kilocaloria (simbolo Kcal), tenendo presente che 1 Kcal = 1000 cal.
Caloria e Kilocaloria sono unità di misura molto usate, ma, dato che il calore è una forma di energia, nel Sistema Internazionale di Misura esso va misurato in Joule, tenendo presente che 1 cal = 4,1855 joule.
Dobbiamo subito osservare che la combustione non è una reazione spontanea: per procedere al nostro esperimento, dobbiamo prima “accendere” la candela.
Per qualsiasi combustione c’è dunque bisogno di un innesco che porti la temperatura del combustibile al di sopra della cosiddetta “temperatura di accensione”, cioè la temperatura minima alla quale il combustibile brucerebbe spontaneamente, senza bisogno di innesco.
L’innesco di una combustione può essere una fiamma, una scintilla, una scarica elettrica etc ….
Per quanto riguarda i combustibili, essi vengono classificati in solidi (es: legno, carbone), liquidi (es: gasolio, benzina) e gassosi (es: metano, etano, propano, butano).
La principale caratteristica di un combustibile è il Potere Calorifico, definito come la quantità di calore prodotta dall’unità di massa di un determinato combustibile, quando questo brucia completamente.
Nel Sistema Internazionale il Potere Calorifico è misurato in J / Kg (Joule per chilogrammo) ma è ancora molto diffuso l’uso di misurarlo in Kcal / Kg (Kilocalorie per chilogrammo) o in Kcal / m³ (Kilocalorie per metro cubo) nel caso di combustibili gassosi.
Si fa distinzione tra un Potere Calorifico Superiore ed un Potere calorifico inferiore, a seconda che il calore latente del vapore d’acqua contenuto nei fumi della combustione sia utilizzato o meno a fini energetici.
L’elemento chimico universalmente contenuto nei combustibili più comuni è il Carbonio: lo troviamo nel legno, nel carbone, nel gasolio, nella benzina, nel metano e, in generale, in tutti gli idrocarburi che sono, appunto, composti chimici formati esclusivamente da Idrogeno e Carbonio.
Dobbiamo distinguere due modi diversi di bruciare per il Carbonio: una “combustione completa” nella quale si sviluppa Anidride Carbonica (CO2), che avviene in eccesso di aria, ed una combustione incompleta nella quale si sviluppa Monossido di Carbonio (CO) che avviene in difetto di aria.

1) Combustione completa del Carbonio:

C + O2 —–> CO2

Un Chilogrammo di Carbonio che bruci in questo modo produce 8.130 Kcal.

2) Combustione incompleta del Carbonio:

2C + O2 —–> 2CO

Cioè:

C + (1 / 2) O2 —–> CO

Nella quale si vede bene che la reazione avviene in difetto di Ossigeno.
Un Chilogrammo di Carbonio che bruci in questo modo produce 2.430 Kcal.

Mentre l’Anidride Carbonica (CO2) non è tossica, il Monossido di Carbonio è estremamente tossico e pericoloso.
E’ dunque assolutamente necessario che le combustioni avvengano in ambienti ventilati in eccesso di aria, per evitare la formazione di Monossido di Carbonio, il cui malaugurato sviluppo spesso causa incidenti mortali.
Questa considerazione vale per la stragrande maggioranza dei combustibili, in quanto contengono Carbonio.
I combustibili gassosi più usati sono Idrocarburi, per cui diamo le loro reazioni bilanciate di combustione:

CH4 (Metano) + 2O2 —-> CO2 + 2H2O

Un Chilogrammo di Metano che bruci completamente sviluppa 13.300 Kcal ed un metro cubo di Metano che bruci completamente sviluppa 8.200 Kcal.

2C2H6 (Etano) + 7O2 —-> 4CO2 + 6H2O

C3H8 (Propano) + 5O2 —-> 3CO2 + 4H2O

2C4H10 (Butano) + 13O2 —-> 8CO2 + 10H2O

I combustibili solidi più usati sono il legno ed i carbone, il cui componente combustibile è il Carbonio, per cui per essi vale quanto abbiamo già detto in proposito del Carbonio puro.
I più importanti combustibili liquidi sono la benzina, il kerosene ed il gasolio.
Tutti e tre sono miscugli omogenei di Idrocarburi. La benzina contiene idrocarburi da 5 a 9 atomi di Carbonio, il kerosene contiene Idrocarburi da 10 a 13 atomi di Carbonio ed il gasolio contiene idrocarburi da 12 a 20 atomi di Carbonio.
Solo per fare un esempio, tra i numerosi Idrocarburi che compongono la benzina, c’è l’Ottano (C8H18), la cui reazione bilanciata di combustione è:

2C8H18 + 25O2 —-> 16CO2 + 18H2O

Tra i combustibili che non contengono Carbonio è doveroso menzionare il gas Idrogeno (H2), la cui combustione genera acqua:

2H2 + O2 —-> 2H2O

Un Chilogrammo di Idrogeno produce, bruciando, ben 34.500 Kilocalorie, ma, purtroppo, almeno per adesso, la produzione di questo gas è molto costosa.