Chimica- Combustione ed Esplosioni

La combustione è una reazione chimica tra un combustibile e un comburente, tipicamente ossigeno, che avviene con sviluppo di calore

A volte solo una linea sottile separa le reazioni di combustione dalle reazioni esplosive.

Una tipica esplosione è una reazione di combustione autosostenentesi che procede a velocità sempre crescente e che non può essere arrestata. Una completa comprensione dei meccanismi delle reazioni di combustione e di esplosione può aiutarci ad ottenere le une e ad evitare le altre.

Un sensazionale contrasto si può vedere nella reazione

2 H₂ + O₂ →2 H₂O

Se condotta in modo controllato questa reazione fornisce l’energia e la spinta necessaria per lanciare lo Space Shuttle in orbita.

Un tipo di esplosione, detta esplosione termica, si verifica quando il calore sviluppato da una reazione esotermica non può essere allontanato dalla miscela di reazione in modo sufficientemente rapido. La temperatura della miscela di reazione aumenta e con essa la costante di velocità aumenta in modo incontrollato.

Meccanismo di una reazione esplosiva

Un’altra causa di reazioni esplosive è dovuta al meccanismo a catena ramificata, qui di seguito riportato in forma semplificata per la reazione di idrogeno e ossigeno.

Innesco:                             (1)  H₂ + O₂ → HO₂ ∙ + H∙

Propagazione:                  (2) HO₂ ∙ + H₂ → HO∙ + H₂O

Ramificazione:                 (3) HO∙ + H₂  → H∙ + H₂O

                                                (4) H∙ + O₂  → O∙ + HO∙

                                                (5) O∙ + H₂ → HO∙ + H∙

Terminazione:                   (6)  O∙ + O∙ + M → O₂ + M*

Ecc.

Stadi

Un radicale libero è un frammento molecolare estremamente reattivo contenente uno o più elettroni spaiati. I radicali liberi vengono prodotti in reazioni analoghe a quelle dello stadio (1).

Negli stadi (2) e (3), per ogni radicale libero consumato si forma una molecola di H₂O  insieme ad un altro radicale libero. Questi stadi continuano la “catena” di reazione e vengono detti stadi di propagazione.

Negli stadi (4) e (5), un radicale libero e una molecola si combinano insieme per formare due nuovi radicali liberi:

la catena si ramifica quante più ramificazioni sono presenti nella reazione “a catena” tanti più radicali liberi sono formati e la reazione diventa rapidamente esplosiva.

Un metodo per evitare che una reazione di combustione diventi esplosiva consiste nel mantenere la concentrazione di uno dei reagenti molto bassa (combustione magra). La velocità della reazione è abbassata in conseguenza della bassa concentrazione del reagente “magro”.

Un altro metodo consiste nell’introdurre nella miscela di reazione una specie M in grado di rimuovere energia dai radicali liberi e provocarne la reciproca combinazione, come nello stadio di terminazione (6).

L’energia della specie M*  eccitata è dissipata senza che si abbia ulteriore formazione di radicali. Si può anche scegliere una specie M che reagisca con i radicali liberi;  anche in questo caso si ha la riduzione del loro numero. Un ulteriore metodo per evitare esplosioni è di mantenere la miscela gassosa ad una pressione bassa. In queste condizioni molti dei radicali liberi formati migrano verso le pareti del contenitore e non danno luogo a ulteriori reazioni.

Sulle pareti del contenitore i radicali liberi cedono energia e si combinano in reazioni simili allo stadio (6) a pressioni più alte, invece, è più probabile che i radicali liberi collidano con le molecole dei reagenti prima di raggiungere le pareti del contenitore. In questo caso diventa possibile un’esplosione invece di una sicura combustione.