4.1 Holz
Geschichte der Holzverbrennung
Holz wird seit Tausenden von Jahren als Energiequelle genutzt (die erste bekannte Verwendung von Feuer wurde festgestellt, als Archäologen Entdeckungen von Menschen machten, die vor 400.000 Jahren lebten), und Holz war die naheliegende Quelle, um Feuer zu machen. Auf dem amerikanischen Kontinent litten die Einwohner von Boston 1637 unter der Holzknappheit. Es war die erste Energiekrise in Amerika nach weniger als einem Jahrhundert der Besiedlung. In den späten 1700er Jahren erfand Benjamin Franklin einen gusseisernen Ofen für den Hausgebrauch. Er hielt die Wärme im Raum, nachdem das Feuer erloschen war. Er hatte jedoch den Konstruktionsfehler, dass er keine Luft anziehen konnte, so dass das Feuer schnell erlosch. Deshalb fügte David R. Rittenhouse einen Schornstein und ein Abgasrohr hinzu, um das System zu verbessern.
Holzverbrennung
Zunächst werden wir uns ansehen, wo Energie in Materialien gespeichert wird, und mit dem Methanmolekül beginnen. Die Verbrennung von Methan ist exotherm (setzt im Verlauf der Reaktion Wärme frei), aber die Reaktion muss erst in Gang gesetzt werden, bevor sie sich bei fortgesetzter Verfügbarkeit von Methan und Sauerstoff fortsetzen kann. Die folgende Formel zeigt die Reaktion in stöchiometrischer Form:
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (plus Wärme!) Diese Gleichung wird aufgrund eines inkompatiblen Browsers nicht richtig dargestellt. Eine Liste der kompatiblen Browser finden Sie unter Technische Anforderungen in der Orientierung.
Abbildung 4.1 zeigt die gleichen Reaktanten und Produkte, aber mit den Bindungen vor und nach der Reaktion auf molekularer/atomarer Ebene. Die Anzahl der Atome in jedem Molekül ändert sich nicht, wohl aber ihre Anordnung und Verbindung. Die einzige wirkliche Veränderung besteht darin, wie die Atome miteinander verbunden sind – das sind die chemischen Bindungen. Da bei einer Verbrennung ENERGIE freigesetzt wird, muss dies bedeuten, dass in 4 C-H-Bindungen und 2 O-O-Bindungen mehr Energie gespeichert ist als in 4 H-O- und zwei C-O-Bindungen. Die ENERGIE, die bei der chemischen Verbrennung freigesetzt wird, stammt aus der ENERGIE, die in den chemischen Bindungen des Brennstoffs &Sauerstoffs gespeichert ist.
Reaktanten: Methan wird mit zwei Sauerstoffmolekülen reagieren. Alle vier Wasserstoffatome im Methan sind über 4 Einfachbindungen mit einem Kohlenstoffatom verbunden. Die Sauerstoffmoleküle bestehen jeweils aus zwei Sauerstoffatomen, die durch eine Doppelbindung verbunden sind.
Bei der Verbrennung ordnen sich die Atome neu an und bilden neue Bindungen.
Produkte: Das Kohlenstoffatom verbindet sich mit 2 Sauerstoffatomen mit einer Doppelbindung zwischen dem Kohlenstoff und jedem Sauerstoff, um ein Kohlendioxidmolekül zu erzeugen. Außerdem bildet jedes der anderen verbleibenden Sauerstoffatome 2 Einfachbindungen zu 2 der verbleibenden Wasserstoffatome, um ein Wassermolekül zu bilden. Die Nettoprodukte der Reaktion sind 1 CO2-Molekül und 2 H2O-Moleküle.
Wir kennen jetzt die chemische Reaktion der Methanverbrennung, aber Holz ist ein viel komplexeres Material als Methan. Holz enthält bis zu 50 % Wasser. Wasser im Holz verringert den Heizwert des Holzes, und wenn das Holz sehr nass ist, führt es zu einem rauchigen Feuer. Die Hauptbestandteile von Holz (wir werden dies in einer späteren Lektion ausführlicher behandeln) sind Zellulose (woraus Papier hergestellt wird) und Lignin (der Teil eines Baumes, der ihm eine stabile Struktur verleiht). Um ein Feuer zu entfachen, muss man normalerweise ein leicht brennbares Material entzünden, um das Holz zu erhitzen (z. B. Zeitungspapier oder einen „Feuerstarter“). Die Bestandteile beginnen sich durch die Hitze zu zersetzen (daher sind wir technisch gesehen noch nicht „am Brennen“), wobei Dämpfe und Holzkohle entstehen. Die Dämpfe werden als „flüchtige Stoffe“ bezeichnet, und die Holzkohle besteht aus Kohlenstoff und Asche. Die flüchtigen Bestandteile sind das, was tatsächlich zu brennen beginnt und eine Flamme erzeugt. Die kohlenstoffreiche Holzkohle erzeugt Glut oder „Kohlen“, die benötigt werden, um das Feuer aufrechtzuerhalten. Holz enthält in der Regel keinen Schwefel, so dass keine Schwefeloxide (oder SOx) entstehen.
Die Verbrennung von Holz kann Probleme verursachen. Der Rauch stammt von Partikeln, die nicht oder nur teilweise verbrannt sind und die Atmosphäre verschmutzen können und typischerweise von Harzen in den Bäumen stammen. Es ist kein Problem, wenn nur ein oder zwei Personen Holz verbrennen, sondern wenn Tausende von Menschen Holz in Kaminen verbrennen. In State College, Pennsylvania, kann man im Winter den Rauch von Kaminen in der Luft sehen. Holzfeuer in Kaminen kann auch Ruß und Kreosot in den Schornsteinen ablagern, die sich entzünden können, wenn sie nicht regelmäßig gereinigt werden. Bei der Verbrennung von Holz (oder eigentlich der meisten Dinge) entsteht Asche (Mineralien in Holz und Kohle, die unter Verbrennungsbedingungen mit der Luft reagieren); die Asche muss entsorgt werden. Holzrauch enthält auch eine Reihe von Chemikalien, die krebserregend sein können.