4.1 Bois
Histoire de la combustion du bois
Le bois est utilisé comme source d’énergie depuis des milliers d’années (la première utilisation connue du feu a été déterminée lorsque des archéologues ont fait des découvertes d’humains vivant il y a 400 000 ans), et le bois était la source évidente pour faire du feu. Aux Amériques, en 1637, les habitants de Boston ont souffert de la pénurie de bois. C’est devenu la première crise énergétique de l’Amérique après moins d’un siècle de colonisation. À la fin des années 1700, Benjamin Franklin a inventé un poêle en fonte pour un usage intérieur. Il conservait la chaleur dans la pièce après que le feu se soit éteint. Cependant, il présentait un défaut de conception : il n’avait aucun moyen d’aspirer l’air, de sorte que les feux s’éteignaient rapidement. David R. Rittenhouse a donc ajouté une cheminée et un tuyau d’évacuation pour l’améliorer.
Combustion du bois
D’abord, nous allons voir où l’énergie est stockée dans les matériaux, en commençant par la molécule de méthane. La combustion du méthane est exothermique (libère de la chaleur au fur et à mesure de la réaction), mais la réaction doit être initiée avant de se maintenir avec la disponibilité continue de méthane et d’oxygène. La formule ci-dessous montre la réaction dans un format stœchiométrique :
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (plus de la chaleur !) Cette équation ne s’affiche pas correctement en raison d’un navigateur incompatible. Voir les exigences techniques dans l’orientation pour une liste de navigateurs compatibles.
La figure 4.1 montre les mêmes réactifs et produits, mais avec les liaisons avant réaction et après réaction, au niveau moléculaire/atomique. Le nombre d’atomes dans chaque molécule ne change pas, mais la façon dont ils sont disposés et connectés, oui. Le seul changement réel réside dans la façon dont les atomes sont liés – ce sont les liaisons chimiques. Puisque de l’ÉNERGIE se dégage d’un système en combustion, cela doit signifier que davantage d’énergie est stockée dans 4 liaisons C-H et 2 liaisons O-O que dans 4 liaisons H-O et 2 liaisons C-O. L’ÉNERGIE libérée lors d’une combustion chimique provient de l’ÉNERGIE stockée dans les liaisons chimiques du combustible & oxygène.
Réactifs : Le méthane va réagir avec deux molécules d’oxygène. Les quatre hydrogènes du méthane sont tous reliés à un seul atome de carbone par 4 liaisons simples. Les molécules d’oxygène sont chacune deux atomes d’oxygène reliés par une double liaison.
Pendant la combustion, les atomes se réarrangent et forment de nouvelles liaisons.
Produits : L’atome de carbone se connecte à 2 atomes d’oxygène avec une double liaison entre le carbone et chaque oxygène pour produire une molécule de dioxyde de carbone. De plus, chacun des autres atomes d’oxygène restants forme 2 liaisons simples avec 2 des atomes d’hydrogène restants pour former une molécule d’eau. Les produits nets de la réaction sont 1 molécule de CO2 et 2 molécules de H2O.
Nous connaissons maintenant la chimie réactionnelle de la combustion du méthane, mais le bois est un matériau beaucoup plus complexe que le méthane. Le bois contient jusqu’à 50% d’eau. La présence d’eau dans le bois va réduire le pouvoir calorifique du bois, et si le bois est très humide, cela va conduire à un feu fumant. Les principaux composants du bois (que nous aborderons plus en détail dans une prochaine leçon) sont la cellulose (dont est fait le papier) et la lignine (la partie de l’arbre qui lui confère une structure solide). Pour allumer un feu, il faut généralement enflammer un matériau qui brûle facilement pour commencer à chauffer le bois (il peut s’agir de papier journal ou d’un « allume-feu »). Les composants commencent à se décomposer sous l’effet de la chaleur (nous ne sommes donc pas encore techniquement « en train de brûler »), ce qui produit des vapeurs et du charbon. Les vapeurs sont appelées « volatiles » et le charbon est composé de carbone et de cendres. Les volatiles sont ce qui commence réellement à brûler, produisant une flamme. Le charbon riche en carbone produit des braises incandescentes ou « charbons », qui sont nécessaires pour entretenir le feu. Le bois ne contient généralement pas de soufre et ne produit donc pas d’oxydes de soufre (ou SOx).
La combustion du bois peut poser des problèmes. La fumée provient des particules qui n’ont pas brûlé ou qui n’ont brûlé que partiellement et qui peuvent polluer l’atmosphère, et provient généralement des résines des arbres. Ce n’est pas un problème lorsqu’une ou deux personnes brûlent du bois, mais lorsque des milliers de personnes brûlent du bois dans des foyers. À State College, en Pennsylvanie, en hiver, on peut voir de la fumée dans l’air provenant des foyers. Les feux de bois dans les foyers peuvent également déposer de la suie et de la créosote dans les cheminées, qui, si elles ne sont pas nettoyées périodiquement, peuvent s’enflammer. La combustion du bois (ou en fait de la plupart des choses) produit des cendres (minéraux présents dans le bois et le charbon qui réagissent avec l’air dans des conditions de combustion) ; ces cendres doivent être éliminées. La fumée de bois contient également une variété de produits chimiques qui peuvent être cancérigènes.