4.1 Puu
Historiaa puun polttamisesta
Puuta on käytetty energialähteenä tuhansia vuosia (ensimmäinen tunnettu tulen käyttö määritettiin, kun arkeologit tekivät löydöksiä ihmisistä, jotka elivät 400 000 vuotta sitten), ja puu oli ilmeinen energianlähde, josta voitiin valmistaa tulta. Amerikassa vuonna 1637 bostonilaiset kärsivät puun vähyydestä. Siitä tuli Amerikan ensimmäinen energiakriisi alle sadan vuoden asuttamisen jälkeen. Benjamin Franklin keksi 1700-luvun lopulla valurautaisen lieden sisäkäyttöön. Se piti lämmön huoneessa sen jälkeen, kun tuli oli palanut loppuun. Sen suunnitteluvirhe oli kuitenkin se, ettei siinä ollut tapaa vetää ilmaa sisään, joten tuli sammui nopeasti. Niinpä David R. Rittenhouse lisäsi savupiipun ja poistoputken parantaakseen sitä.
Puun polttaminen
Aluksi tarkastelemme, mihin materiaaleihin energia varastoituu, alkaen metaanimolekyylistä. Metaanin palaminen on eksotermistä (vapauttaa lämpöä reaktion edetessä), mutta reaktio on aloitettava ennen kuin se jatkuu metaanin ja hapen jatkuvan saatavuuden myötä. Alla oleva kaava esittää reaktion stoikiometrisessä muodossa:
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (plus lämpö!) Tämä yhtälö ei näy oikein yhteensopimattoman selaimen vuoksi. Yhteensopivien selainten luettelo löytyy kohdasta Tekniset vaatimukset orientaatiossa.
Kuvassa 4.1 on esitetty samat reagoivat aineet ja tuotteet, mutta sidokset ennen reaktiota ja reaktion jälkeen molekyyli-/atomitasolla. Atomien lukumäärä kussakin molekyylissä ei muutu, mutta se, miten ne on järjestetty ja kytketty toisiinsa, muuttuu. Ainoa todellinen muutos on se, miten atomit ovat yhteydessä toisiinsa – nämä ovat kemiallisia sidoksia. Koska palavasta systeemistä lähtee ENERGIAA, sen täytyy tarkoittaa, että 4 C-H-sidokseen ja 2 O-O-sidokseen on varastoitunut enemmän energiaa kuin 4 H-O- ja 2 C-O-sidokseen. Kemiallisessa palamisessa vapautuva ENERGIA tulee polttoaineen & hapen kemiallisiin sidoksiin & varastoituneesta ENERGIASTA.
Reaktantit: Metaani reagoi kahden happimolekyylin kanssa. Metaanin kaikki neljä vetyatomia liittyvät yhteen hiiliatomiin neljällä yksinkertaisella sidoksella. Happimolekyylit ovat kukin kaksi happiatomia, jotka on yhdistetty kaksoissidoksella.
Palamisen aikana atomit järjestäytyvät uudelleen ja muodostavat uusia sidoksia.
Tuotteet: Hiiliatomi liittyy kahteen happiatomiin siten, että hiilen ja kunkin hapen välillä on kaksoissidos, jolloin syntyy yksi hiilidioksidimolekyyli. Lisäksi kukin muista jäljellä olevista happiatomeista muodostaa 2 yksinkertaista sidosta kahteen jäljellä olevaan vetyatomiin muodostaen vesimolekyylin. Reaktion nettotuotteet ovat 1 CO2-molekyyli ja 2H2O-molekyyliä.
Me tunnemme nyt metaanin palamisen reaktiokemian, mutta puu on paljon monimutkaisempi materiaali kuin metaani. Puu sisältää jopa 50 % vettä. Puun sisältämä vesi vähentää puun lämpöarvoa, ja jos puu on hyvin märkää, se johtaa savuavaan paloon. Puun pääkomponentit (käsittelemme asiaa perusteellisemmin myöhemmällä oppitunnilla) ovat selluloosa (josta paperi on tehty) ja ligniini (puun osa, joka tekee puusta tukevan rakenteen). Tulen sytyttämiseksi on yleensä sytytettävä helposti palava materiaali, jotta puuta voidaan alkaa lämmittää (tämä voi olla sanomalehti tai ”sytytin”). Osat alkavat hajota lämmöstä (siksi emme ole teknisesti vielä ”palamassa”), jolloin syntyy höyryjä ja hiiltä. Höyryjä kutsutaan ”haihtuviksi aineiksi” ja hiili koostuu hiilestä ja tuhkasta. Haihtuvat aineet ovat se, mikä itse asiassa alkaa palaa, jolloin syntyy liekki. Hiilipitoinen hiili tuottaa hehkuvia hiilloksia tai ”hiiliä”, joita tarvitaan tulen ylläpitämiseen. Puu ei yleensä sisällä rikkiä, joten rikin oksideja (tai SOx) ei synny.
Puun polttamisessa voi olla ongelmia. Savu tulee hiukkasista, jotka eivät palaneet tai paloivat vain osittain ja jotka voivat saastuttaa ilmakehää, ja ne ovat tyypillisesti peräisin puiden hartseista. Se ei ole ongelma silloin kun yksi tai kaksi ihmistä polttaa puuta, vaan silloin kun tuhannet ihmiset polttavat puuta tulisijoissa. Pennsylvanian State Collegessa talvella voi nähdä savua ilmassa tulisijoista. Puun polttaminen tulisijoissa voi myös kerrostaa savupiippuihin nokea ja kreosoottia, jotka voivat syttyä, jos niitä ei puhdisteta säännöllisesti. Puun (tai oikeastaan useimpien asioiden) polttaminen tuottaa tuhkaa (puun ja hiilen sisältämät mineraalit, jotka reagoivat ilman kanssa palamisolosuhteissa); tuhka on hävitettävä. Puun savu sisältää myös erilaisia kemikaaleja, jotka voivat olla syöpää aiheuttavia.