4.1 Madeira
História da madeira queimada
A madeira tem sido usada como fonte de energia durante milhares de anos (o primeiro uso conhecido do fogo foi determinado quando os arqueólogos fizeram descobertas de humanos que viviam há 400.000 anos atrás), e a madeira era a fonte óbvia para fazer fogo. Nas Américas, em 1637, o povo de Boston sofria com a escassez de madeira. Tornou-se a primeira crise energética da América depois de menos de um século de colonização. No final do século XVII, Benjamin Franklin inventou um fogão de ferro fundido para uso interno. Ele mantinha calor na sala depois que o fogo se apagou. No entanto, tinha uma falha de design, pois não tinha como puxar o ar, então os incêndios se apagavam rapidamente. Então David R. Rittenhouse adicionou uma chaminé e um tubo de escape para melhorá-lo.
Madeira queimada
Primeiro, vamos ver onde a energia é armazenada nos materiais, começando com a molécula de metano. A combustão do metano é exotérmica (libera calor à medida que a reação prossegue), mas a reação deve ser iniciada antes de se sustentar com a disponibilidade contínua de metano e oxigênio. A fórmula abaixo mostra a reacção num formato estequiométrico:
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (mais calor!) Esta equação não está a renderizar correctamente devido a um browser incompatível. Veja Requisitos Técnicos na Orientação para uma lista de navegadores compatíveis.
Figure 4.1 mostra os mesmos reagentes e produtos, mas com as ligações antes e depois da reacção, a um nível molecular/atómico. O número de átomos em cada molécula não muda, mas a forma como estão dispostos e ligados, sim. A única mudança real é a forma como os átomos estão ligados – estas são as ligações químicas. Como o ENERGY sai de um sistema de combustão, então deve significar que mais energia é armazenada em 4 ligações C-H e 2 ligações O-O do que em 4 ligações H-O e duas ligações C-O. A ENERGIA libertada durante a combustão química provém da ENERGIA armazenada em ligações químicas de combustível & oxigénio.
Reactantes: O metano irá reagir com duas moléculas de oxigénio. Todos os quatro hidrogênios do metano estão ligados a um único átomo de carbono por 4 ligações simples. As moléculas de oxigênio são cada uma com dois átomos de oxigênio conectados por uma ligação dupla.
Durante a combustão, os átomos rearranjam e formam novas ligações.
Produtos: O átomo de carbono liga-se a 2 átomos de oxigénio com uma ligação dupla entre o carbono e cada oxigénio para produzir uma molécula de dióxido de carbono. Adicionalmente, cada um dos outros átomos de oxigénio restantes forma 2 ligações simples a 2 dos restantes átomos de hidrogénio para formar uma molécula de água. Os produtos líquidos da reacção são 1 molécula de CO2 e 2H2O moléculas.
Conhecemos agora a química de reacção da combustão do metano, mas a madeira é um material muito mais complexo do que o metano. A madeira contém até 50% de água. A água na madeira reduz o valor de aquecimento da madeira, e se a madeira estiver muito húmida, provocará um incêndio fumegante. Os principais componentes da madeira (vamos cobrir isto com mais profundidade numa lição posterior) são a celulose (de que papel é feito) e a lignina (a parte de uma árvore que a faz ter uma estrutura robusta). Para iniciar um incêndio, normalmente é necessário acender um material que queima facilmente para começar a aquecer a madeira (isto pode ser um jornal ou um “arranque do fogo”). Os componentes começam a decompor-se a partir do calor (por isso ainda não estamos tecnicamente “queimando”), o que produz vapores e carvão. Os vapores são chamados de “voláteis” e o carvão é composto de carbono e cinzas. Os voláteis são o que realmente começa a queimar, produzindo uma chama. O carvão rico em carbono produz brasas brilhantes ou “brasas”, que são necessárias para manter o fogo sustentado. A madeira normalmente não contém enxofre, por isso não são produzidos óxidos de enxofre (ou SOx).
Pode haver problemas com a queima da madeira. A fumaça vem de partículas que não queimaram ou queimaram apenas parcialmente que podem poluir a atmosfera, e normalmente vêm de resinas nas árvores. Não é um problema quando uma ou duas pessoas estão queimando lenha, mas quando milhares de pessoas queimam lenha em lareiras. No State College, Pennsylvania, no inverno, pode-se ver fumaça no ar das lareiras. Os fogos de lenha nas lareiras também podem depositar fuligem e creosoto nas chaminés, que se não forem limpos periodicamente, podem incendiar-se. A combustão da madeira (ou mesmo da maioria das coisas) produz um material cinzento (minerais na madeira e carvão que reagem com o ar em condições de combustão); as cinzas devem ser eliminadas. A fumaça da madeira também contém uma variedade de produtos químicos que podem ser cancerígenos.