http:\/\/www.vialattea.net\/esperti\/php\/risposta.php?num=7898<\/A><\/P>
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Affinch\u00e8 possa avvenire il processo di combustione tra due sostanze<\/STRONG>, l’una combustibile <\/STRONG>(nel tuo caso: IDROGENO, H2<\/SUB>) e l’altra comburente <\/STRONG>(nel tuo caso: OSSIGENO, O2<\/SUB> \u00e8 necessario controllare che effettivamente le due sostanze si comportino come tali.<\/P>
\nIl METANO <\/STRONG>CH4<\/SUB> \u00e8 difatti una sostanza combustibile che brucia in presenza di comburente. Se ci si trovasse in una stanza chiusa ermeticamente satura <\/STRONG>di metano (per satura si intende che l’unico gas presente \u00e8 il metano) e ci accendesse un fiammifero, si noterebbe che non avverrebbe alcuna combustione, anzi il fiammifero probabilmente non si accenderebbe nemmeno. Questo perch\u00e8 il processo di combustione necessita anche del comburente, l’ossigeno che si trova nell’aria (aria: 20% ossigeno, 78% azoto, 2% altri gas).<\/P>
\nIl metano si comporta da combustibile, non perch\u00e8 \u00e8 composto da due specie atomiche (Carbonio, C ed Idrogeno, H) che prese allo stato puro sono comburenti, ma perch\u00e8 la molecola risultante si trova ad uno stato di ossidazione basso.<\/P>
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A questo punto occorre specificare cosa intendiamo per STATO DI OSSIDAZIONE<\/STRONG>.
In chimica lo stato di ossidazione (in passato ed ancora oggi si utlizza il sinonimo VALENZA<\/STRONG>)\u00e8 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<\/SUB>, O2<\/SUB>, N2<\/SUB>, Cl2<\/SUB>, F2<\/SUB>, Br2<\/SUB>)Se il risultato della sottrazione \u00e8 0: l’atomo \u00e8 allo stato neutro<\/STRONG>
Se il risultato \u00e8 > 0, tipicamente da +1 a +6: l’atomo \u00e8 ossidato
<\/STRONG>Se il risultato \u00e8 < 0, tipicamente da -1 a -6: l’atomo \u00e8 ridotto<\/STRONG><\/P>
\nOra il collegamento tra la chimica e la combustione<\/STRONG> 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 propriet\u00e0 chimiche (affinit\u00e0 elettronica, energia di ionizzazione)<\/P>
\nPi\u00f9 in generale una sostanza si comporta da combustibile rispetto ad un’altra se il suo stato di ossidazione \u00e8 pi\u00f9 ridotto rispetto allo stato di ossidazione di quella che si comporta da comburente.<\/STRONG><\/P>
\nL’ossigeno ha propriet\u00e0 tali che si comporta da COMBURENTE allo stato neutro (stato di ossidazione = 0).
L’idrogeno ha propriet\u00e0 tali che si comporta da COMBURENTE Allo stato neutro (stato ossidazione = 0).<\/P>
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I vari elementi si combinano tra loro con stati di ossidazione che sommati danno risultato neutro, quindi le molecole generalmente sono allo stato neutro.<\/P>
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ENERGIA E STATI DI OSSIDAZIONE
<\/STRONG>La tendenza naturale dei processi chimici \u00e8 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 \u00e8 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’affinit\u00e0 elettronica dell’elemento.
Pi\u00f9 in dettaglio l’affinit\u00e0 elettronica da’ informazioni sulla direzione che prender\u00e0 una reazione. La tendenza degli elementi \u00e8 quella di abbassare la propria energia e questo pu\u00f2 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 \u00e8 favorito e l’elemento raggiunger\u00e0 uno stato ridotto. Se invece \u00e8 la cessione di un elettrone che corrisponde all’emissione di energia, l’elemento raggiunger\u00e0 uno stato ossidato.
Una volta che hanno raggiunto uno stato di ossidazione stabile non avvengono pi\u00f9 reazioni e la combustione si arresta. Per l’idrogeno lo stato di ossidazione stabile \u00e8 +1, mentre per l’ossigeno \u00e8 -2. Tenendo conto di questo ultimo fattore possiamo prevedere se una sostanza sar\u00e0 combustibile o comburente a contatto con l’ossigeno.
RIASSUNTO<\/B>
Riassumiamo brevente e schematicamente i concetti esposti precedentemente:
Combustibile:<\/B> stato neutro o meglio ridotto, possiede un’alta energia, tende a cedere elettroni (riducente), si stabilizza ossidandosi (+1, +2, +3, …).
Comburente:<\/B> stato neutro o meglio ossidato, possiede pi\u00f9 bassa energia, tende a acquisire elettroni (ossidante), si stabilizza riducendosi (-1, -2, -3,…).
COMBUSTIONE DI METANO ED ACQUA<\/STRONG>
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):<\/P>
\nCH4<\/SUB>: il carbonio centrale \u00e8 circondato da 4 atomi di idrogeno con stato di ossidazione +1, quindi il suo stato di ossidazione per avere una molecola neutra \u00e8 -4; +4-4 = 0
Quindi dato che il carbonio atomico ha stato di ossidazione 0 mentre nel metano lo stato di ossidazione \u00e8 -4 , il carbonio del metano \u00e8 ridotto.<\/P>
\nA contatto con l’ossigeno la reazione di combustione \u00e8:<\/P>
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CH4<\/SUB> + O2<\/SUB> = CO2<\/SUB>+ H2<\/SUB>O<\/STRONG><\/P>
\nSe 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, \u00e8 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 n\u00e8 cede energia.
Parimenti l’ossigeno passa da uno stato neutro ad uno stato ridotto e quindi si stabilizza.
CONCLUSIONE<\/B>
L’acqua, pur contenendo idrogeno, non \u00e8 un combustibile, perch\u00e8 tutte le specie atomiche che lo compongono si trovano allo stato pi\u00f9 basso dell’energia e degli stati di ossidazione:
H+1, O-2; quindi il processo di combustione non avviene, perch\u00e8 non c’\u00e8 nessuna altra reazione di ossidaizone possibile tra acqua ed ossigeno. L’unica possibilit\u00e0 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 pi\u00f9 bassa energia.<\/P>
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A questo punto si potrebbe chiedere perch\u00e8 il carbonio contenuto nella CO2<\/SUB> non reagisca ulteriormente.
La risposta \u00e8 la stessa per l’acqua. Il carbonio si trova allo stato di ossidazione pi\u00f9 stabile e quindi non pu\u00f2 ossidarsi ulteriormente.<\/P>
\nLa molecola di CO (monossido di carbonio) pu\u00f2 invece ossidare ulteriormente poich\u00e8 il carbonio ha stato di ossidazione +2, mentre sappiamo che lo stato pi\u00f9 stabile \u00e8 +4. Quindi pu\u00f2 ancora avvenire la reazione:<\/P>
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2CO + O2<\/SUB> = 2CO2<\/SUB><\/P>
\nFANTACHIMICA<\/STRONG><\/P>
\nSe l’idrogeno potesse essere ossidato ulteriormente allo stato +2 (ma ricordiamo che non pu\u00f2 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.<\/P>
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