4.1 Træ
Historie om brændende træ
Træ har været brugt som energikilde i tusindvis af år (den første kendte brug af ild blev fastslået, da arkæologer gjorde fund af mennesker, der levede for 400.000 år siden), og træ var den oplagte kilde til at lave ild. I Amerika led indbyggerne i Boston i 1637 under manglen på træ. Det blev Amerikas første energikrise efter mindre end et århundrede efter bosættelsen. I slutningen af 1700-tallet opfandt Benjamin Franklin en støbejernsovn til indendørs brug. Den holdt varmen i rummet, efter at ilden var brændt ud. Den havde dog en konstruktionsfejl, idet den ikke havde nogen måde at trække luft ind på, så ilden gik hurtigt ud. Så David R. Rittenhouse tilføjede en skorsten og et udstødningsrør for at forbedre den.
Afbrænding af træ
Først skal vi se på, hvor energi lagres i materialer, og vi begynder med metanmolekylet. Forbrændingen af metan er exotermisk (frigiver varme, når reaktionen skrider frem), men reaktionen skal igangsættes, før den vil opretholde sig selv med fortsat adgang til metan og ilt. Nedenstående formel viser reaktionen i et støkiometrisk format:
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (plus varme!) Denne ligning vises ikke korrekt på grund af en inkompatibel browser. Se Tekniske krav i orienteringen for at få en liste over kompatible browsere.
Figur 4.1 viser de samme reaktanter og produkter, men med bindingerne før reaktionen og efter reaktionen, på molekylært/atomart niveau. Antallet af atomer i hvert molekyle ændrer sig ikke, men hvordan de er anbragt og forbundet gør det. Den eneste reelle ændring er, hvordan atomerne er forbundet – det er de kemiske bindinger. Da der kommer ENERGI ud af et brændende system, må det betyde, at der er mere energi gemt i 4 C-H-bindinger og 2 O-O-bindinger end i 4 H-O- og to C-O-bindinger. Den ENERGI, der frigives ved kemisk forbrænding, kommer fra ENERGI, der er lagret i kemiske bindinger i brændstoffet & ilt.
Reaktanter: Metan vil reagere med to iltmolekyler. Alle de fire hydrogener i methan er forbundet med et enkelt kulstofatom ved 4 enkeltbindinger. Oxygenmolekylerne er hver to oxygenatomer forbundet med en dobbeltbinding.
Under forbrændingen omarrangerer atomerne sig og danner nye bindinger.
Produkter: Kulstofatomet forbindes med 2 oxygenatomer med en dobbeltbinding mellem kulstoffet og hvert oxygenatom for at producere et kuldioxidmolekyle. Desuden danner hvert af de andre resterende iltatomer 2 enkeltbindinger til 2 af de resterende brintatomer for at danne et vandmolekyle. Nettoprodukterne af reaktionen er 1 CO2-molekyle og 2H2O-molekyler.
Vi kender nu reaktionskemien ved metanforbrænding, men træ er et meget mere komplekst materiale end metan. Træ indeholder op til 50 % vand. Vand i træet reducerer træets brændværdi, og hvis træet er meget vådt, vil det føre til et røgfyldt bål. Træets hovedbestanddele (vi vil behandle dette mere indgående i en senere lektion) er cellulose (det, som papir er lavet af) og lignin (den del af træet, der giver det en robust struktur). For at starte et bål skal du typisk antænde et materiale, der brænder let, for at begynde at opvarme træet (det kan være avispapir eller en “ildstarter”). Komponenterne begynder at blive nedbrudt af varmen (derfor “brænder” vi teknisk set ikke endnu), hvilket producerer dampe og kul. Dampene kaldes “flygtige stoffer”, og kulsyren består af kulstof og aske. Det er de flygtige stoffer, der rent faktisk begynder at brænde og frembringe en flamme. Det kulstofrige kul giver glødende gløder eller “kul”, som er nødvendige for at holde ilden i gang. Træ indeholder typisk ikke svovl, så der dannes ingen svovloxider (eller SOx).
Der kan være problemer med at brænde træ. Røgen kommer fra partikler, der ikke er brændt eller kun delvist brændt, og som kan forurene atmosfæren, og som typisk kommer fra harpiks i træerne. Det er ikke et problem, når en eller to personer brænder brænde, men når tusindvis af mennesker brænder brænde i pejse. I State College, Pennsylvania, kan man om vinteren se røg i luften fra pejse. Træbrænde i pejse kan også aflejre sod og kreosot i skorstenene, som kan antændes, hvis de ikke renses med jævne mellemrum. Ved afbrænding af træ (eller egentlig de fleste ting) opstår der aske (mineraler i træ og kul, som reagerer med luft under forbrændingsforhold); asken skal bortskaffes. Trærøg indeholder også en række kemikalier, der kan være kræftfremkaldende.