Combustie

O parte din conținutul afișat poate genera situații periculoase sau daune. Informațiile au doar scop ilustrativ, nu sunt îndemnatoare sau didactice. Utilizarea Wikipedia este pe propriul dvs. risc: citiți avertismentele .

Arderea lemnului și a oxigenului

Arderea este o reacție chimică care implică oxidarea unui combustibil printr-un combustibil (care este în general reprezentat de oxigenul prezent în aer ), cu dezvoltarea căldurii și a radiației electromagnetice , inclusiv de multe ori radiații luminoase . ^[1] Arderea este adesea însoțită de prezența unei flăcări și a gazelor de temperatură ridicată produse prin ardere, care prin dispersarea în interiorul acestora a prafului obținut din combustie (în general particule carbonice), dă naștere la fum . ^[1] Arderea în absența flăcării se numește „arderea cu jarul”. ^[2]

Cu alte cuvinte, arderea este un redox exoterm, întrucât un compus se oxidează în timp ce altul este redus (de exemplu, în cazul arderii de hidrocarburi, carbonul se oxidează în timp ce oxigenul este redus), cu eliberarea de energie și formarea de noi compuși (de obicei dioxid de carbon si apa).

Triunghiul focului

Același subiect în detaliu: Triunghiul focului .

Triunghiul focului

„ Triunghiul focului ” constă din cele trei elemente care sunt necesare pentru ca reacția de ardere să aibă loc. Aceste trei elemente sunt: ^[1]

Combustibilul poate fi de diferite tipuri (solid, lichid sau gazos ^[1] ), de exemplu: hidrocarburi , lemn sau cărbune .
Oxidantul prin excelență este oxigenul prezent în aer. ^[1]
Combustibilul și combustibilul trebuie să fie în proporții adecvate pentru ca combustia să aibă loc, delimitate de așa-numitul „ interval de inflamabilitate ”.

Reacția dintre combustibil și combustibil nu este spontană, ci apare datorită nivelului de energie al substanței combustibile care se degradează prin emiterea de carbon, hidrogen și alți atomi capabili să se combine cu oxigen, emițând în continuare căldură capabilă să mențină nivelul termic datorită care are loc fisurarea combustibilului. Aprinderea poate fi reprezentată de exemplu printr-o sursă de căldură sau o scânteie. Declanșatorul reprezintă energia de activare necesară de moleculele reactante pentru a iniția reacția și trebuie alimentată din exterior. Ulterior, energia eliberată de reacția însăși face posibilă autosusținerea, fără alte intrări externe de energie.

Pentru a accelera arderea, se poate folosi o turbulență, care crește amestecul dintre combustibil și combustibil, accelerând arderea.

Dacă lipsește unul dintre elementele triunghiului, arderea nu se dezvoltă sau se stinge. De fapt, stingerea unui incendiu este posibilă prin scăderea (epuizarea sau îndepărtarea) combustibilului, prin sufocare (separarea oxigenului / comburentului prin intermediul unei substanțe de acoperire) sau prin răcire (oprirea reacției în lanț autosustenabile a aprinderii).

Cinetica combustiei

Reacția de ardere este un proces complex, constând din mai multe reacții în lanț :

Început - reacțiile puternic endotermice (adică care absorb căldura) împart un electron de valență formând radicali liberi , adică specii active.
Propagarea - speciile active și alte specii moleculare interacționează pentru a forma noi specii active.
Ramificare - speciile active inițiale se separă creând secundare.
Încetare - interacțiunea speciilor creează dezactivarea sau anihilarea speciilor active, formând specii stabile.

Dacă speciile active care se formează odată cu primele faze ale reacției în lanț sunt egale numeric cu cele dezactivate în faza de terminare, arderea va fi lentă și controlată; dacă, dimpotrivă, formarea radicalilor este mai mare decât recombinările, se obține o combustie necontrolată: o explozie . Se poate observa în faza inițială nevoia de energie pentru a activa reacția endotermă, clarificând necesitatea unei energii declanșatoare reprezentată mai sus în triunghiul focului.

Aprinderea unui amestec combustibil combustibil poate avea loc în două moduri:

Autoaprindere: este aprinderea simultană a întregii mase de amestec. Dacă temperatura este ridicată, căldura evacuată în mediu este mai mică decât cea produsă, reacția se autocatalizează și presiunea crește rapid: există o explozie ( teoria Semenov ).

Aprindere indusă: apare atunci când o sursă din amestec eliberează energie și dă naștere la o aprindere locală care se poate răspândi în amestec. Acest lucru se întâmplă dacă:
- local, căldura de la sursă dezvoltă o temperatură mai mare decât temperatura de autoaprindere.
- cantitatea de amestec aprins are suficientă energie pentru a susține și a propaga arderea pe întregul volum.

Produse de ardere

Produsele de ardere depind de natura combustibilului și de condițiile de reacție. De exemplu, în arderea cărbunelui (lipsit de impurități și, prin urmare, conținând doar carbon ), dioxidul de carbon este produs exclusiv dacă există exces de oxigen; în acest caz vorbim de combustie completă . În absența oxigenului, pe de altă parte, este favorizată producția de monoxid de carbon , însoțită de vapori, negru de fum , în cazul unei lipse puternice de oxigen.

Azotul este un inert și, prin urmare, nu reacționează cu niciun element sau substanță în timpul arderii. Cu toate acestea, în anumite condiții (temperaturi ridicate, exces mare de aer, prezența azotului în combustibil), acesta poate reacționa și crea NOx . Unele reacții de oxidare ale azotului și carbonului sunt următoarele:

{\ce {N2(g) + O2(g) -> 2NO(g)}}

{\ displaystyle {\ ce {N2 (g) + O2 (g) -> 2NO (g)}}}

{\ displaystyle {\ ce {N2 (g) + O2 (g) -> 2NO (g)}}}

{\ce {NO(g) + 1/2 O2(g) -> NO2(g)}}

{\ displaystyle {\ ce {NO (g) + 1/2 O2 (g) -> NO2 (g)}}}

{\ displaystyle {\ ce {NO (g) + 1/2 O2 (g) -> NO2 (g)}}}

{\ce {C(g) + O2(g) -> CO2(g)}}

{\ displaystyle {\ ce {C (g) + O2 (g) -> CO2 (g)}}}

{\ displaystyle {\ ce {C (g) + O2 (g) -> CO2 (g)}}}

Test de flacără cu săruri de sodiu .

Tipul de radiație emis depinde puternic de speciile chimice implicate în reacții și în special de intermediarii prezenți în flacără în stări excitate. De exemplu, arderea hidrogenului , care produce apă, are o lumină albastră slabă datorită tranzițiilor hidrogenului monoatomic, în timp ce arderea compușilor care conțin cantități mari de carbon are ca rezultat o flacără care este adesea de culoare galben-portocalie datorită specia C ₂ . Faptul experimental că diferiți compuși sunt asociați cu o culoare diferită a flăcării este exploatat în contextul chimiei analitice pentru a efectua un anumit tip de analiză calitativă, numit test de flacără .

Reacțiile de ardere au o dinamică moleculară extrem de complexă, dar în general se poate spune că sunt reacții în lanț radicale.

Prin extensie ne putem referi la reacțiile de ardere chiar și atunci când oxidantul nu este oxigen, de exemplu se poate spune că hidrogenul arde în prezența clorului . Sau chiar vorbim despre combustie chiar și atunci când nu sunt implicate reacții chimice, ci reacții nucleare, vezi combustibilul nuclear .

Arderea metanului

Arderea completă a metanului , CH ₄ , produce dioxid de carbon și apă , în timp ce în absența oxigenului, pot apărea numeroase reacții care conduc la diverse produse, inclusiv, pe lângă monoxidul de carbon, și metanolul . Dorind să analizeze în special arderea metanului, reacția de ardere stoichiometrică este:

{\ce {CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}}

{\ displaystyle {\ ce {CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}}}

{\ displaystyle {\ ce {CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}}}

aceasta înseamnă că sunt necesari 2 moli de oxigen pentru a arde 1 mol (sau, în mod echivalent, 22,414L) de metan. La ieșire vor exista 1 mol de dioxid de carbon și 2 mol de apă în stare de vapori sau, în unele cazuri, lichid (ultimul caz apare dacă se folosește căldura latentă de vaporizare care condensează apa, așa cum se întâmplă în condensarea cazanelor ).

Acest proces are o putere calorică care poate ajunge la 9520 Kcal / Nm3 ^{[ neclar ]} . ^[3]

În arderea metanului, starea de oxidare a carbonului trece de la -4 la +4, în timp ce pentru oxigen variația este de la 0 (oxigen molecular) la -2 (în apă).

Deoarece aerul este adesea folosit în locul oxigenului pur, trebuie luată în considerare și prezența azotului. Aerul este format teoretic (în volum) din 21% oxigen și 79% azot; aceasta înseamnă că raportul oxigen / azot este 1: 3,76. Prin urmare, reacția de ardere devine:

{\ce {CH4 + 2O2 + 7,52N2 -> CO2 + 2H2O + 7,52N2}}

{\ displaystyle {\ ce {CH4 + 2O2 + 7.52N2 -> CO2 + 2H2O + 7.52N2}}}

{\ displaystyle {\ ce {CH4 + 2O2 + 7.52N2 -> CO2 + 2H2O + 7.52N2}}}

În practică, nu arde niciodată în funcție de reacția stoichiometrică. Acest lucru se datorează faptului că, prin respectarea cantităților potrivite, există riscul de a avea produse nepuse; de aceea oamenii încearcă întotdeauna să ardă în exces de aer (sau oxigen). Deoarece stoichiometric pentru 1 volum de metan sunt necesare 9,52 volume de aer, în realitate raportul metan / aer este de aproximativ 1:10.