Gli alcani sono ottimi carburanti. Un litro di benzina contiene circa 33,6 megajoule di energia e fornisce oltre 8000 calorie1. Se si potesse bere la benzina, sarebbe sufficiente a nutrire un uomo medio per oltre tre giorni! Quando viene bruciata, tutta l'energia immagazzinata viene rilasciata nell'ambiente sotto forma di calore. Per questo motivo, gli alcani vengono utilizzati come combustibili per auto, aerei e altri motori, per riscaldare le nostre case e per alimentare i nostri dispositivi elettronici.
- Questo articolo tratta le reazioni di combustione in chimica.
- In particolare, ci concentreremo sulla combustione di idrocarburi come gli alcani.
- Inizieremo con la definizione di combustione prima di esaminare la combustione completa e incompleta.
- Successivamente, ci eserciteremo a scrivere le equazioni di combustione.
- Per finire, considereremo l'impatto ambientale della combustione. Impareremo anche come limitare questi impatti attraverso misure come la solforazione dei gas di scarico e le marmitte catalitiche.
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.
La combustione è una reazione che comporta l'ossidazione di un combustibile come carbone, gas o benzina, di solito in presenza di ossigeno (il comburente). È esotermica, cioè rilascia molta energia nell'ambiente sotto forma di calore.
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.
Non preoccuparti: tra un attimo ti spiegheremo come scrivere le equazioni di combustione. Prima di farlo, assicurati di dare un'occhiata alle variazioni di entalpia, se non sei sicuro di cosa intendiamo per reazioni esotermiche.
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.
Sappi che la combustione rilascia in genere una miscela di tutti e tre i prodotti del carbonio: CO2, CO e C. Tuttavia, possiamo favorire un prodotto o l'altro controllando la quantità di ossigeno presente quando bruciamo il combustibile.
Vuoi vedere la combustione completa e incompleta in azione? Basta dare uno sguardo ad un comune apparecchio chimico: il becco di Bunsen.
Quando si lavora con un becco Bunsen in laboratorio, si sa che chiudendo il foro dell'aria si ottiene la fiamma di sicurezza. Questa fiamma è di colore giallo-arancio. Aprendo il foro dell'aria, invece, si ottiene una fiamma blu. La fiamma di sicurezza è così chiamata perché è molto più facile da vedere rispetto alla fiamma blu ed è anche molto meno calda. Questo perché l'ossigeno è limitato e quindi il combustibile brucia in una reazione di combustione incompleta. L'uso della fiamma di sicurezza fa sì che il fondo del beaker tenuto sopra il becco Bunsen diventi nero e fuligginoso a causa delle particelle di carbonio che si formano, motivo per cui la fiamma di sicurezza viene talvolta soprannominata fiamma "sporca". La fiamma blu, invece, utilizza una combustione completa. La fiamma blu, invece, utilizza una combustione completa e rilascia molta più energia durante la combustione, dando luogo a una fiamma più pulita, più calda e più pericolosa.
Figura 1. Combustione completa e incompleta con utilizzo di becchi Bunsen. A sinistra: chiudendo il foro dell'aria si ottiene una combustione incompleta e si produce una fiamma gialla di sicurezza. A destra: aprendo il foro dell'aria si ottiene una combustione completa e si produce una fiamma blu più calda.
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.
Come mai si può fare a meno di mezza mole di ossigeno? Perché è considerato usuale scrivere le reazioni di combustione utilizzando una mole di combustibile. Ciò è dovuto alla definizione di variazione entalpica standard della combustione, che considera la variazione entalpica quando una mole di una sostanza viene bruciata in eccesso di ossigeno in condizioni standard. Non preoccuparti se non hai mai sentito questo termine: abbiamo un intero articolo dedicato alle entalpie standard su Variazioni di Entalpia. Clicca sul link per saperne di più.
Ecco come scrivere e bilanciare le equazioni per la combustione (completa) degli idrocarburi:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
La scrittura delle equazioni per la combustione incompleta segue un processo simile. Tuttavia, bisogna ricordare che si produce monossido di carbonio (o carbonio puro) invece di anidride carbonica. Di conseguenza, sono necessarie meno moli di ossigeno. Tuttavia, è necessario lo stesso numero di moli del prodotto a base di carbonio e lo stesso numero di moli di acqua.
Scrivere un'equazione per:
- La combustione completa del propano.
- La combustione incompleta del propano, che produce solo monossido di carbonio.
- La combustione incompleta del propano, che produce una mole di monossido di carbonio e due moli di carbonio.
Iniziamo con il punto a. Nell'equazione non bilanciata, bruciamo una mole di propano (C3H8) in una quantità incognita di ossigeno (O2) per produrre quantità incognite di anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O):
C3H8 + O2 ⟶ CO2 + H2O
C3H8 contiene tre atomi di carbonio. Quindi produce tre moli di CO2:
C3H8 + O2 ⟶ 3CO2 + H2O
C3H8 contiene anche 8 atomi di idrogeno. Nota che ogni molecola di H2O contiene due atomi di idrogeno. Quindi produciamo solo quattro moli di H2O:
C3H8 + O2 ⟶ 3CO2 + 4H2O
Ora dobbiamo solo bilanciare gli atomi di ossigeno. Abbiamo 3(2) = 6 atomi di ossigeno dalle nostre tre moli di CO2 e 4(1) = 4 atomi di ossigeno dalle nostre quattro moli di H2O. Il totale è di dieci atomi di ossigeno. Ancora una volta, si noti che ogni molecola di O2 contiene due atomi di ossigeno. Pertanto, abbiamo bisogno di 5 moli di O2. Ecco la risposta finale:
C3H8 + 5O2 ⟶ 3CO2 + 4H2O
Nel punto b, produciamo monossido di carbonio (CO) invece di anidride carbonica. Anche in questo caso, produciamo tre moli del prodotto a base di carbonio e quattro moli di H2O. Questa volta, però, produciamo solo 3(1) = 3 più 4(1) = 4 atomi di ossigeno, per un totale di sette. Pertanto, abbiamo bisogno solo di 7/2 moli di O2:
C3H8 + 7/2O2 ⟶ 3CO + 4H2O
Nel punto c, produciamo una sola mole di monossido di carbonio (CO) e due moli di carbonio puro (C). In questo modo otteniamo tre moli di prodotti a base di carbonio. Anche in questo caso, produciamo quattro moli di H2O. In totale, abbiamo 1(1) = 1 più 2(0) = 0 più 4(1) = 4 atomi di ossigeno, che equivalgono a cinque. Pertanto, abbiamo bisogno di 5/2 moli di O2:
C3H8 + 5/2O2 ⟶ CO + 4H2O + 2C
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.
Un gas serra è un gas che intrappola la radiazione solare riflessa dalla Terra, invece di lasciarla passare attraverso l'atmosfera e tornare nello spazio esterno.
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.
Figura 2. Effetto serra. Le particelle di gas serra intrappolano le radiazioni solari riflesse dalla Terra e ne riemettono una parte sul pianeta, invece di lasciarle passare nello spazio esterno.
Fonte: commons.wikimedia.org
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 (NOx) per produrre azoto (N2) e anidride carbonica (CO2).
- Gli idrocarburi incombusti (CxHy) reagiscono con i protossidi di azoto per produrre azoto, anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O).
Le reazioni speficihe dipendono dai tipi di ossidi di azoto e idrocarburi incombusti presenti nei gas di scarico. Ecco alcuni esempi di equazioni chimiche bilanciate:
8CO(g) + 4NO2(g) ⟶ 2N2(g) + 8CO2(g)
C9H20(g) + 28NO(g) ⟶ 14N2(g) + 9CO2(g) + 10H2O(g)
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.
Le sostanze neutre dal punto di vista del carbonio sono sostanze che non producono emissioni nette complessive di anidride carbonica nel corso della loro vita. Tutta l'anidride carbonica che rilasciano è controbilanciata dall'anidride carbonica assunta in diversi momenti della loro vita.
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.
La cattura del carbonio è ancora un'industria relativamente piccola, ma sta crescendo rapidamente grazie al miglioramento delle tecniche. Ad esempio, l'azienda svizzera Climeworks cattura direttamente il carbonio dall'aria utilizzando filtri speciali e lo immagazzina in profondità nel terreno o lo ricicla in combustibili.4
Combustione - Punti Chiave
- La combustione è una reazione esotermica che comporta l'ossidazione di un combustibile come carbone, gas o benzina, solitamente in presenza di ossigeno, il comburente.
- La combustione può essere completa o incompleta.
- La combustione completa avviene in eccesso di ossigeno e produce anidride carbonica e acqua. Rilascia più energia rispetto alla combustione incompleta.
- La combustione incompleta avviene in presenza di poco ossigeno e produce monossido di carbonio, carbonio e acqua. Rilascia meno energia della combustione completa.
- La combustione di combustibili idrocarburici, come carbone, gas e benzina, ha diversi effetti negativi sull'ambiente.
- Per ridurre l'impatto ambientale delle reazioni di combustione, possiamo effettuare la desolforazione dei gas di scarico, installare convertitori catalitici e passare a combustibili a zero emissioni.
Fonti
- K Kris Hirst, 'The Discovery of Fire. ThoughtCo (03/05/2019)
- World of Change: Global Temperature. NASA Earth Observatory
- World of Change: Global Temperature. NASA Earth Observatory
- Direct air capture: a technology to remove CO₂. Climeworks
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