La combustione è una reazione esotermica di ossidoriduzione . Quando la combustione è vivace, provoca una fiamma o un'esplosione ( deflagrazione , o addirittura detonazione se il fronte di fiamma supera la velocità del suono). La combustione di biomasse e combustibili è la principale fonte di inquinamento atmosferico , con effetti cancerogeni , riprotossici e cardiovascolari in particolare.
Prima del 1980 si riteneva che la reazione chimica di combustione potesse avvenire solo se si combinavano tre elementi: un combustibile , un ossidante e un'energia di attivazione in quantità sufficienti. Per questo si parlava di “ triangolo di fuoco ”.
Dagli anni '80 si è scoperto che una delle fasi essenziali della reazione chimica è la produzione di radicali liberi ; questo passaggio è necessario affinché la combustione si mantenga e si possa parlare di fuoco . Questo è il motivo per cui si parla sin da allora di “ tetraedro di fuoco ”.
È sufficiente la scomparsa di uno dei quattro elementi per arrestare la combustione.
Il carburante può essere:
Questi cinque tipi di combustibile corrispondono, rispettivamente, alle cinque classi principali di fuochi A, B, C, D e F.
L' ossidante è l'altro reagente nella reazione chimica. Il più delle volte, è l' aria ambiente , e più in particolare uno dei suoi componenti principali, l' ossigeno . Privando un fuoco d' aria , si estingue; per esempio, se metti una candela accesa in un barattolo di marmellata e chiudiamo il barattolo, la fiamma si spegne; al contrario, se soffiamo su un fuoco di legna, lo attiva (portiamo più aria). In alcune torce viene aggiunto ossigeno puro per migliorare la combustione e aumentare la temperatura della fiamma.
In alcuni casi molto specifici (spesso esplosivi come con l'alluminio), l'ossidante e il carburante sono un unico corpo; ad esempio la famosa nitroglicerina , una molecola instabile comprendente una parte ossidante innestata su una parte riducente.
La reazione è innescata da un'energia attivante , solitamente calore o una fiamma. Ad esempio, questo sarà il calore di attrito per una partita, il cavo elettrico sovralimentato che riscalda l'isolamento, o altro fiamma (propagazione delle fiamme), la scintilla (dal gas più leggero , dalla selce più chiaro). O quella causata da un elettrico macchina che si avvia o si arresta).
Ma ci sono altri modi per fornire l'energia di attivazione: arco elettrico, irraggiamento, aumento di temperatura comprimendo l'aria, ad esempio in un motore diesel .
Tuttavia, ci sono casi in cui il fattore scatenante della combustione non è l'energia di attivazione. Ad esempio, l' esplosione di fumo è una combustione molto violenta dei gas incombusti presenti nel fumo (vedi combustione incompleta ) causata da un improvviso apporto di aria, e quindi di ossidante. L'intervallo in cui la miscela aria/gas può bruciare è limitato dai limiti di esplosività . Questo intervallo può variare da poche percentuali ( cherosene ) a diverse decine di percento ( acetilene ).
La produzione di calore per combustione permette alla reazione di essere autosufficiente nella maggior parte dei casi, o addirittura di amplificarsi in una reazione a catena (ad esempio in un incendio boschivo ).
Possono bruciare solo materiali in forma gassosa (perché offrono la possibilità di miscelarsi molto bene con un ossidante, cosa che non avviene con liquidi o solidi dove l'ossidante principale, l'ossigeno, non riesce a penetrare nel cuore della sostanza gassosa), che Ecco perché è necessario fornire energia sufficiente a un prodotto infiammabile (sia solido che liquido) in modo che inizi a vaporizzare o decomporsi in elementi vaporizzabili e combustibili (come i terpeni nelle conifere tramite una distillazione o pirolisi ). La soglia di temperatura raggiunta in questa occasione è detta punto di infiammabilità . Alcuni prodotti hanno il loro punto di infiammabilità ben al di sotto della temperatura ambiente, il che li rende sostanze molto infiammabili, perché è sufficiente poca energia di attivazione per avviare la combustione (una semplice scintilla...).
Un fiammifero gettato in un serbatoio di gasolio a temperatura ambiente non avrà alcun effetto, perché il suo punto di infiammabilità essendo di 68 °C , in media, secondo le normative degli impianti classificati e del trasporto di materiali pericolosi, la fiamma verrà annegata nel gasolio prima di essa è stato in grado di trasmettere abbastanza calore da vaporizzare abbastanza. Al contrario, un fiammifero gettato in un recipiente di benzina , con un punto di infiammabilità intorno ai -40 °C , basterà ad accendere i vapori già presenti sotto forma di gas sulla superficie del liquido. In questa occasione, noteremo che:
Quando la combustione produce energia sufficiente per sostenersi, la temperatura ha superato il punto di infiammabilità .
Una reazione chimica è una ricombinazione di molecole. Passa attraverso una fase intermedia durante la quale le molecole vengono “destrutturate” ma non ancora ricombinate; questi sono chiamati radicali e sono molto reattivi. Nel caso della combustione, i radicali sono creati dalla rottura dei legami chimici dovuta all'energia termica , e potranno agire sulle molecole del prodotto (rilasciando altri radicali) e di fatto generando una reazione a catena che va avanti. continuare finché sono soddisfatte le due condizioni seguenti: presenza di carburante e ossidante.
Per fermare una reazione di combustione bisogna rimuovere uno dei quattro elementi del tetraedro di fuoco:
rimozione del carburante chiudere una valvola o un rubinetto che alimenta la combustione, rimuovere i combustibili vicino al fuoco, uno sbocco per espellere il fumo (che contiene materiale incombusto), ecc. ; rimozione dell'ossidante (soffocamento) Uso di un quencher al biossido di carbonio , una coperta, spruzzatura di acqua ad un combustibile solido (vapore acqueo formata unità dell'aria), etc. ; soppressione dell'energia di attivazione (raffreddamento) spruzzatura di acqua nel caso di atmosfera premiscelata (miscela di gas o particelle combustibili e gas ossidante), griglia termoassorbente ( lampada da minatore "Davy" ), uscita per espellere il fumo (che è caldo), ecc. L'acqua può avere due ruoli diversi:La scoperta della combustione da ossigeno è attribuibile al chimico francese Lavoisier , nel 1775 , perché generalmente si ritiene Che Joseph Priestley , che isolò per la prima volta l'ossigeno (impuro) nel 1774, non avesse però scoperto la ruolo dell'ossidante . Infatti, in quanto si basava sulla teoria del flogisto , ciò gli impediva di concepire il ruolo dell'ossigeno nella combustione.
Secondo il filosofo della scienza Thomas Samuel Kuhn , la scoperta della combustione dell'ossigeno costituisce una grande rivoluzione scientifica nella storia della scienza. Ha costituito un cambio di paradigma , sostituendo il vecchio paradigma del flogisto.
La combustione ossigeno molecolare è stato il XIX ° secolo , e di più per il XX ° secolo , molte applicazioni industriali (vedere la sezione Applicazioni di seguito). Tuttavia, durante l' era industriale, ha portato alla massiccia emissione di anidride carbonica , che è un gas serra che contribuisce largamente ai fenomeni di cambiamento climatico .
La combustione rapida è una forma di combustione in cui vengono rilasciate grandi quantità di calore ed energia sotto forma di luce, dando origine al fuoco. Viene utilizzato in alcune macchine come i motori a combustione interna o le armi termobariche .
La combustione lenta è una reazione che avviene a basse temperature.
Durante la combustione completa, il reagente reagirà con l'ossidante fino a formare prodotti che non possono più essere ossidati, cioè questi prodotti non possono più reagire con l'ossidante: i prodotti hanno raggiunto un grado di stabilità che una reazione di combustione non può modificare. Nel caso di un idrocarburo che reagisce con l'ossigeno, i prodotti della combustione sono anidride carbonica e acqua. Esiste un prodotto di combustione stabile per ciascun elemento, quindi la combustione completa fornisce gli stessi prodotti di reazione indipendentemente dai reagenti.
La combustione completa fornisce la massima quantità di energia disponibile da una sostanza e questa energia è definita come potere calorifico .
La combustione turbolenta è una combustione caratterizzata da flussi di calore. Viene spesso utilizzato nell'industria (ad esempio turbine a gas e motori ad accensione comandata ) perché il calore facilita l'operazione di miscelazione tra il combustibile e l' ossidante .
La combustione incompleta avviene quando la quantità di ossidante è insufficiente per consentire la completa reazione del combustibile o quando il tempo di contatto, ad una temperatura che rende possibile la combustione, è troppo basso. Produce residui di combustione sotto forma di ceneri che emettono fumi : alcuni composti, come monossido di carbonio (gas mortale), particelle di carbonio puro ( fuliggine , catrame , cenere ), ossidi di azoto (NO x), gli idrocarburi ( ad esempio il benzene cancerogeno) sono molto tossici per l'uomo e per l'ambiente, o altamente tossici come gli IPA o i composti organici volatili (COV).
La reazione di combustione è solitamente incompleta. Solo il controllo delle condizioni permette di ottenere una combustione completa, fornendo ad esempio un eccesso di ossigeno ad alta temperatura. In caso di combustione incompleta è possibile trattare i fumi per ridurre le emissioni incombuste, così come i tubi di scarico ei filtri antiparticolato dei motori delle automobili. La presenza di catalizzatori garantisce poi una seconda combustione a temperatura inferiore. Particolato filtri sono state sviluppate per combustione di legna attrezzature , un solido combustibile essendo particolarmente esposto al rischio di combustione incompleta.
La combustione è una reazione chimica in cui le molecole complesse vengono scomposte in molecole più piccole e più stabili attraverso una riorganizzazione dei legami tra gli atomi. La chimica della combustione è una componente importante della chimica ad alta temperatura che coinvolge principalmente reazioni radicali . Tuttavia, è possibile trattare la combustione tramite un'unica reazione globale.
Esempio:Combustione di metano in ossigeno :
CH 4 + 2O 2→ CO 2+ 2H 2 O.L' anidride carbonica CO 2e acqua H 2 O sono più stabili dell'ossigeno e del metano.
La combustione è una reazione redox , in questo caso l'ossidazione di un combustibile da parte di un ossidante :
Come per tutte le reazioni chimiche, un catalizzatore facilita la combustione e poiché quest'ultima ha spesso un'elevata energia di attivazione , l'utilizzo di un catalizzatore permette di lavorare a una temperatura più bassa. Ciò consente una combustione completa come nel caso delle marmitte catalitiche che, grazie alla presenza di metalli catalitici, bruciano i residui dei gas di scarico ad una temperatura inferiore a quella prevalente nel motore.
Nel caso di combustibili solidi, l'energia di attivazione consentirà di vaporizzare o pirolizzare il combustibile. I gas così prodotti si mescoleranno con l'ossidante e daranno la miscela combustibile. Se l'energia prodotta dalla combustione è maggiore o uguale all'energia di attivazione richiesta, la reazione di combustione è autosufficiente.
La quantità di energia prodotta dalla combustione è espressa in joule (J); questa è l' entalpia di reazione . Nei campi di applicazione (forni, bruciatori, motori a combustione interna, antincendio) viene spesso utilizzato il concetto di potere calorifico , che è l'entalpia di reazione per unità di massa di combustibile o l'energia ottenuta dalla combustione di un chilogrammo di combustibile , generalmente espresso in kilojoule per chilogrammo (indicato kJ / kg o kJ kg -1 ).
La combustione di idrocarburi rilascia acqua sotto forma di vapore. Questo vapore acqueo contiene una grande quantità di energia. Questo parametro viene quindi preso in considerazione specificatamente per la valutazione del potere calorifico; definiamo:
il potere calorifico superiore (PCS) "Quantità di energia rilasciata dalla combustione completa di un'unità a combustibile, supponendo che il vapore acqueo sia condensato e il calore recuperato" ; il potere calorifico inferiore (PCI) "Quantità di calore sprigionata dalla combustione completa di un'unità a combustibile, supponendo che il vapore acqueo non si condensi e il calore non venga recuperato" .La differenza tra PCI e PCS è il calore latente di vaporizzazione dell'acqua ( L v ), che è pari a circa 2250 k J kg −1 (valore dipendente da pressione e temperatura), moltiplicato per la massa di vapore prodotta ( m ).
Abbiamo la relazione: PCS = PCI + m · L v .
Nel caso di fiamma premiscelata , la combustione è caratterizzata dalla velocità del fronte di fiamma :
L'ossidazione dei metalli è generalmente lenta. Il calore ceduto è quindi basso e si disperde lentamente nell'ambiente; questa è l'area della corrosione (es. arrugginimento del ferro e dell'acciaio ).
Tuttavia, in alcuni casi l'ossidazione è violenta e quindi costituisce combustione. Ci sono cinque casi notevoli:
La combustione trova largo impiego nei motori a scoppio , per la propulsione di veicoli ( automobili , camion , aerei ad elica, motocicli , imbarcazioni , ecc. ), ed anche per utensili mobili (tosaerba, motoseghe, ecc. ) e per impianti fissi (generatori , pompe, ecc .).
Nel settore domestico la combustione viene utilizzata principalmente per:
Alcuni dispositivi utilizzano anche un motore a combustione interna: tosaerba, motosega, ecc.
La combustione può essere sostituita da impianti elettrici: fornello elettrico, scaldabagno elettrico, lampadina, motori elettrici, ecc.
Storicamente il fuoco domestico è un simbolo molto forte; il termine " focolare " designa sia il luogo del fuoco che il luogo della famiglia.
La combustione è utilizzata nelle centrali termoelettriche che utilizzano combustibili fossili ( carbone , gas naturale , petrolio ), combustibili rinnovabili (rifiuti agricoli o forestali e biomasse se sfruttate in modo sostenibile) o diversi tipi di rifiuti (negli inceneritori di rifiuti domestici, ad esempio), per rilasciare calore, che produce energia elettrica tramite turboalternatori .
In natura i metalli sono generalmente presenti sotto forma di minerali . Alcuni minerali possono essere ridotti , cioè trasformati in metallo , per reazione con un gas risultante dalla combustione; questo è il campo della pirometallurgia . L'esempio più noto è la riduzione del minerale di ferro mediante monossido di carbonio negli altiforni e poi negli altiforni . Questo riguarda anche la produzione di nichel, rame, zinco, titanio e zirconio, anche se esistono altre vie di produzione.
La combustione può essere utilizzata anche per riscaldare il metallo per deformarlo meglio ( laminazione , forgiatura ) o per fonderlo ( fonderia , saldatura a cannello, brasatura , ossitaglio ). Oltre al taglio alla fiamma, l'energia elettrica può essere utilizzata come alternativa alla combustione.
La fabbricazione del cemento richiede molta energia per elevare la miscela che produrrà il clinker a più di 1.450 °C , questa energia è fornita dalla combustione di un'ampia varietà di combustibili (gas, olio combustibile) e rifiuti (oli usati, pneumatici triturati, farine animali , acque di impianto di depurazione ).
La combustione è utilizzata nel campo dell'astronautica per fornire energia alla propulsione del veicolo spaziale . I termini corrispondenti in inglese sono bruciore e combustione .
A seconda del tipo di combustione utilizzato in un propellente , si parla di: