Volevo chiedere un’informazione: il metano, come tutti gli altri combustibili, brucia perché è formato da carbonio e idrogeno, due elementi che provocano e favoriscono la combustione. Perché allora l’acqua non brucia, anche se è formata da un combustibile (idrogeno) e da un comburente (ossigeno)?







GENERALITA’ SULLA COMBUSTIONE


Il processo di combustione in generale è già stato trattato su vialattea alle pagine:
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?numero=7952
per cui consiglio di leggere anche questa risposta prima di proseguire con questa.


Inoltre per i dati di combustione tra idrogeno ed ossigeno rimando ad una precedente risposta:
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=7898





Affinchè possa avvenire il processo di combustione tra due sostanze, l’una combustibile (nel tuo caso: IDROGENO, H2) e l’altra comburente (nel tuo caso: OSSIGENO,  O2 è necessario controllare che effettivamente le due sostanze si comportino come tali.


Il METANO CH4 è difatti una sostanza combustibile che brucia in presenza di comburente. Se ci si trovasse in una stanza chiusa ermeticamente satura di metano (per satura si intende che l’unico gas presente è il metano) e ci accendesse un fiammifero, si noterebbe che non avverrebbe alcuna combustione, anzi il fiammifero probabilmente non si accenderebbe nemmeno. Questo perchè il processo di combustione necessita anche del comburente, l’ossigeno che si trova nell’aria (aria: 20% ossigeno, 78% azoto, 2% altri gas).


Il metano si comporta da combustibile, non perchè è composto da due specie atomiche (Carbonio, C ed Idrogeno, H) che prese allo stato puro sono comburenti, ma perchè la molecola risultante si trova ad uno stato di ossidazione basso.


A questo punto occorre specificare cosa intendiamo per STATO DI OSSIDAZIONE.
In chimica lo stato di ossidazione (in passato ed ancora oggi si utlizza il sinonimo VALENZA)è definito come la differenza tra il numero di elettroni che l’atomo avrebbe allo stato puro, rispetto al numero di elettroni che circondano lo stesso atomo in una molecolecola. Ricordiamo inoltre che le specie chimiche allo stato puro hanno stato di ossidazione 0, anche se sono molecole gassose biatomiche (H2, O2, N2, Cl2, F2, Br2)Se il risultato della sottrazione è 0: l’atomo è allo stato neutro
Se il risultato è > 0, tipicamente da +1 a +6: l’atomo è ossidato
Se il risultato è < 0, tipicamente da -1 a -6: l’atomo è ridotto


Ora il collegamento tra la chimica e la combustione sta nel fatto che le sostanze si comportano da  combustibili od a comburenti a seconda del loro stato di ossidazione secondo questa analogia:
OSSIDATO –> COMBURENTE
RIDOTTO –> COMBUSTIBILE
NEUTRO –> tendenzialmente COMBUSTIBILE o COMBURENTE, dipende dalle sue proprietà chimiche (affinità elettronica, energia di ionizzazione)


Più in generale una sostanza si comporta da combustibile rispetto ad un’altra se il suo stato di ossidazione è più ridotto rispetto allo stato di ossidazione di quella che si comporta da comburente.


L’ossigeno ha proprietà tali che si comporta da COMBURENTE allo stato neutro (stato di ossidazione = 0).
L’idrogeno ha proprietà tali che si comporta da COMBURENTE Allo stato neutro (stato ossidazione = 0).


I vari elementi si combinano tra loro con stati di ossidazione che  sommati danno risultato neutro, quindi le molecole generalmente sono allo stato neutro.


ENERGIA E STATI DI OSSIDAZIONE
La tendenza naturale dei processi chimici è quella di abbassare lo stato energetico delle specie coinvolte in un processo.

La termodinamica insegna che le reazioni spontanee sono possibili se l’energia dei prodotti è inferiore a quella dei reagenti.
Trascurando il fattore cinetico, abbiamo appena visto che un processo di combustione implica l’aqcuisto o la cessione di elettroni e che questo processo dipende dall’affinità elettronica dell’elemento.

Più in dettaglio l’affinità elettronica da’ informazioni sulla direzione che prenderà una reazione. La tendenza degli elementi è quella di abbassare la propria energia e questo può essere fatto appunto cedendo od acquistando elettroni. In questo processo l’emissione di energia corrisponde ad un abbassamento, mentre l’assorbimento di energia corrisponde ad un innalzamento.

Se l’acquisto di un elettrone comporta l’emissione di energia il processo è favorito e l’elemento raggiungerà uno stato ridotto. Se invece è la cessione di un elettrone che corrisponde all’emissione di energia, l’elemento raggiungerà uno stato ossidato.

Una volta che hanno raggiunto uno stato di ossidazione stabile non avvengono più reazioni e la combustione si arresta. Per l’idrogeno lo stato di ossidazione stabile è +1, mentre per l’ossigeno è -2. Tenendo conto di questo ultimo fattore possiamo prevedere se una sostanza sarà combustibile o comburente a contatto con l’ossigeno.

RIASSUNTO
Riassumiamo brevente e schematicamente i concetti esposti precedentemente:

Combustibile: stato neutro o meglio ridotto, possiede un’alta energia, tende a cedere elettroni (riducente), si stabilizza ossidandosi (+1, +2, +3, …).

Comburente: stato neutro o meglio ossidato, possiede più bassa energia, tende a acquisire elettroni (ossidante), si stabilizza riducendosi (-1, -2, -3,…).

COMBUSTIONE DI METANO ED ACQUA
Il metano ha due specie chimiche , il carbonio e l’idrogeno. vediamo quali sono gli stati di ossidazione delle rispettive specie (tranne che negli IDRURI l’idrogeno ha sempre satato di ossidazione +1):


CH4: il carbonio centrale è circondato da 4 atomi di idrogeno con stato di ossidazione +1, quindi il suo stato di ossidazione per avere una molecola neutra è -4; +4-4 = 0
Quindi dato che il carbonio atomico ha stato di ossidazione 0 mentre nel metano lo stato di ossidazione è -4 , il carbonio del metano è ridotto.


A contatto con l’ossigeno la reazione di combustione è:


CH4 + O2 = CO2+ H2O


Se facciamo i calcoli degli stati di ossidazione per ciascuna specie atomica vediamo che:

Reagenti a sinistra:
C = -4, stato ridotto, combustibile(energia alta), tende ad ossidare
H = +1, stato ossidato, stabile (energia bassa), non cambia stato
O = 0, stato neutro, comburente (energia media), tende a ridurre

Prodotti a destra:
C = +4, stato ossidato, (energia bassa), non cambia stato
H = +1, stato ossidato, stabile (energia bassa), non cambia stato
O = -2, stato ridotto, stabile (energia bassa), non cambia stato

Vediamo dunque che nel processo di combustione del metano, è il carbonio il vero combustibile che passa d auno stato ridotto ad uno stato ossidato, mentre l’idrogeno non cambia stato di ossidazione nel passaggio tra metano ed acqua e quindi non assorbe nè cede energia.
Parimenti l’ossigeno passa da uno stato neutro ad uno stato ridotto e quindi si stabilizza.

CONCLUSIONE
L’acqua, pur contenendo idrogeno, non è un combustibile, perchè tutte le specie atomiche che lo compongono si trovano allo stato più basso dell’energia e degli stati di ossidazione:
H+1, O-2; quindi il processo di combustione non avviene, perchè non c’è nessuna altra reazione di ossidaizone possibile tra acqua ed ossigeno. L’unica possibilità sarebbe uno scambio tra altri atomi di ossigeno per riformare acqua assorbendo ed emettendo la stessa energia.

Il metano invece si trova ad un livello energetico complessivamente elevato, e quindi tende a reagire con l’ossigeno per formare prodotti a più bassa energia.



A questo punto si potrebbe chiedere perchè il carbonio contenuto nella CO2 non reagisca ulteriormente.

La risposta è la stessa per l’acqua. Il carbonio si trova allo stato di ossidazione più stabile e quindi non può ossidarsi ulteriormente.


La molecola di CO (monossido di carbonio) può invece ossidare ulteriormente poichè il carbonio ha stato di ossidazione +2, mentre sappiamo che lo stato più stabile è +4. Quindi può ancora avvenire la reazione:


2CO + O2 = 2CO2


FANTACHIMICA


Se l’idrogeno potesse essere ossidato ulteriormente allo stato +2 (ma ricordiamo che non può per il semplice fatto che non possiede 2 elettroni ma solamente 1) potrebbe avvenire una ulteriore ossidazione formando una ipotetica molecola neutra HO con H+2 ed O-2.