La combustione è un processo di rapida ossidazione di materiale con notevole sviluppo di calore, fiamme, fumo e gas caldi. Emanzione di energia sotto forma di luce e calore. con trasformazione di energia chimica in energia termica; avviene la trasformazione delle sostanze combustibili in altri elementi (prodotti combustione).
La maggior parte di queste reazioni riguarda la veloce ossidazione della sostanza da parte dell’O2, ma sono note reazioni che avvengono anche in assenza di O2 (es: formazione di HCl a partire da H2 e Cl2).
Le combustioni sono reazioni complesse che comportano diversi atti reattivi e quindi coinvolgono la formazione di molti intermedi atomici e/o radicalici.
PRINCIPI DELLA COMBUSTIONE
La combustione è una reazione chimica sufficientemente rapida di una sostanza combustibile con un comburente che da luogo allo sviluppo di calore, fiamma, gas, fumo e luce.
Avviene per ossidazione degli atomi di carbonio (C) e di idrogeno (H) presenti nelle sostanze combustibili.
Ad esempio, nella combustione dei combustibili più comuni (legno, carbone, carta, idrocarburi, ecc..); costituiti in gran parte da carbonio e idrogeno, l’ossigeno dell’aria reagisce con l’idrogeno (formando acqua (H2O) sotto forma di vapore) e con il carbonio (formando anidride carbonica (CO2), ossido di carbonio (CO), fumi ecc..).
Può avvenire con o senza sviluppo di fiamme superficiali.
La combustione senza fiamma superficiale si verifica generalmente quando la sostanza combustibile non è più in grado di sviluppare particelle volatili.
Solitamente il comburente è l’ossigeno contenuto nell’aria, ma sono possibili incendi di sostanze che contengono molecole di ossigeno sufficiente a determinare una combustione, quali ad esempio gli esplosivi e la celluloide.
LA REAZIONE DI COMBUSTIONE
La reazione di combustione, come molte altre, aumenta la propria velocità con l’aumento della T:
Quando la T è bassa (< 1000°C) le combustioni avvengono lentamente con dissipazione di energia (combustioni lente).
In questo caso si ha un meccanismo a catena ramificata con formazione di intermedi più o meno stabili con tempi di vita significativi.
Questi intermedi, ad esempio, sono la causa nella combustione di idrocarburi della formazione di VOC tra i prodotti.
Mediante processi (molto rari) di autocombustione le reazioni lente possono velocizzarsi e produrre luce e calore (la massa di combustibile si riscalda fino ad arrivare alla T ign.; avviene una fermentazione biologica con sviluppo di calore).
Si definisce la temperatura di ignizione la temperatura oltre la quale inizia la combustione.
Le combustioni ad elevata temperatura sono quelle che avvengono a T>1000°C (e fino a 3000-4000°C), in queste condizioni l’energia in gioco è alta e sono quindi possibili molte reazioni, intervengo inoltre fattori non strettamente chimici (es. trasporto, problemi di tipo aerodinamico).
I combustibili possono essere solidi, liquidi o gassosi; in realtà le situazioni più comuni richiedono:
- Solidi/ gas (es.: carbone / aria).
- Miscele gassose omogenee (es.: metano / aria).
COMBUSTIBILI SOLIDI
La temperatura di ignizione dipende per queste sostanze principalmente dallo stato fisico.
Aumento della velocità di reazione porta a:
- Aumento della suddivisione o della porosità.
- Diminuzione della T a cui inizia la combustione.
Es.: Carbone amorfo (T ign. » 300°C); Grafite (T ign. » 650°C).
Alcuni metalli (polverizzati) bruciano spontaneamente metalli piroforici.
I combustibili solidi, a meno di formazione di specie gassose o di fenomeni di evaporazione, bruciano senza fiamma.
- Mg e Zn: bruciano con fiamma perché evaporano.
- Fe: emette luce bianca e non fiamma.
- C in eccesso di O2: non dà fiamma perché produce CO2.
- C in difetto di O2: ad alta T dà una fiamma blu dovuta alla combustione del CO formatosi dalla combustione incompleta.
SPECIE GASSOSE
Le combustioni di queste specie sono complesse, avvengono mediante catene di reazioni; intervengono numerosi parametri (es.: composizione della miscela, forma e dimensione del recipiente).
Per far avvenire la combustione in una miscela gassosa si deve raggiungere la T ign.
In una zona della massa gassosa, iniziata la combustione si ha quindi la propagazione veloce della fiamma in tutta la massa.
Se durante la propagazione si generano pressioni in grado di portare la temperatura di tutta la massa alla T ign. si avrà “la detonazione”.
REAZIONI DI COMBUSTIONE
In realtà questa che apparentemente è una reazione semplice avviene attraverso diverse reazioni (tipo radicalico) che presentano energia di attivazione bassa tali reazioni sono di tipo diverso a seconda della temperatura.
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