Appunti degli studenti per corsi ed esami del Prof. Munari Andrea

Risposte alle domande fatte agli esami di chimica dei processi di combustione m. Programma/Contenuti Il corso propone prima di tutto un approfondimento, rispetto alle conoscenze di chimica acquisite nella laurea triennale, dei concetti fondamentali di termodinamica e di cinetica chimica, al fine di comprendere gli schemi di reazione relativi ai meccanismi di combustione dei principali combustibili impiegati nei motori a combustione interna, meccanismi che vengono poi esaminati e discussi in dettaglio. Sono anche illustrati i meccanismi di formazione dei principali inquinanti ed i metodi oggi impiegati per minimizzarne il rilascio nell’ambiente, tenendo conto del combustibile impiegato e delle condizioni in cui avviene la combustione (motori a benzina o diesel). Si passa infine ad una trattazione della chimica dell’atmosfera al fine di comprendere l’effetto degli inquinanti sull’ambiente. Richiami di Chimica di base.Richiami sulle configurazioni elettroniche dei principali elementi della Tavola Periodica e sulle loro proprietà. Richiami sulle principali caratteristiche dei diversi tipi di legame chimico. Spettri di assorbimento di atomi e molecole. Termodinamica Chimica.Richiami di termochimica: entalpie standard di reazione, di formazione e di combustione. Richiami al secondo principio della termodinamica. Le condizioni per la trasformazione spontanea di un sistema non isolato in condizioni di pressione e temperatura costanti: l'energia libera di Gibbs. Considerazioni sulla spontaneità dei diversi tipi di reazioni. L'equilibrio chimico da un punto di vista termodinamico; espressioni della costante di equilibrio per i sistemi ideali e per quelli non ideali. Reazioni eterogenee. Richiami sull'effetto di temperatura e pressione sull'equilibrio chimico in fase gas. La f.e.m. di una pila e derivazione dell'equazione di Nernst per via termodinamica. Cinetica Chimica.Richiami sui fondamenti della cinetica chimica. Meccanismi di reazione semplici e complessi. Molecolarità delle reazioni semplici ed ordine di reazione; il caso delle reazioni monomolecolari. Cinetica di alcuni tipi di reazioni complesse: reazioni parallele, convergenti, consecutive. L'approssimazione dello stato stazionario. Reazioni reversibili. Cinetica delle reazioni a catena ed a catena ramificata. L'ipotesi dell'equilibrio parziale. Effetto della temperatura sulla velocità di reazione: la teoria delle collisioni molecolari e l'equazione di Arrhenius; il complesso attivato ed il fattore sterico. Altre espressioni k(T). Proprietà generali dei catalizzatori; catalisi omogenea e catalisi eterogenea. Catalisi eterogenea (gas-solido): cinetica dell'adsorbimento con (oppure senza) dissociazione delle molecole dei reagenti. Combustione.Generalità sulle reazioni di combustione: combustibili e comburenti; il fenomeno dell'autoaccensione. Richiami a potere calorifico superiore ed inferiore ed alla temperatura adiabatica di fiamma. Le reazioni a catena ramificata e le condizioni di esplosività. Limiti di esplosione e meccanismi di combustione dell'idrogeno, del monossido di carbonio, del metano, degli idrocarburi, ecc. La formazione di ossidi di azoto nella combustione: il meccanismo termico e quello prompt. L'effetto della presenza di azoto nei combustibili. Cenni sulla formazione degli ossidi e di altri composti dello zolfo. Il particolato: sua struttura e pericolosità; cenni ai meccanismi di formazione. Effetti della combustione sull'ambiente.La struttura dell'atmosfera. Il gradiente adiabatico secco nella troposfera e l'andamento di pressione e massa volumica con la quota. La stabilità e le condizioni di inversione termica. L'inquinamento a livello del suolo: lo smog fotochimico. La formazione di ozono, perossido di idrogeno, PAN ed acido nitrico. Le piogge acide e loro effetti sull'ambiente. Sistemi catalitici per la riduzione degli inquinanti: le ‘marmitte catalitiche' TWC ed i sistemi catalitici NSR; dispositivi SCR nei motori diesel. Filtri per particolato e loro rigenerazione. Sensori di gas: la ‘sonda lambda'. Sistemi per la riduzione del particolato nei gas di scarico dei motori diesel. L'effetto serra ed il riscaldamento planetario: il diossido di carbonio e gli altri gas responsabili dell'effetto serra. Caratteristiche dei combustibili, con particolare riferimento a quelli da fonti rinnovabili: energia e combustibili da biomasse. Metanolo ed etanolo, biodiesel, idrogeno: vantaggi, svantaggi e prospettive. Metodi di produzione e problematiche relative allo stoccaggio dell'idrogeno. Chimica della stratosfera: lo strato di ozono. Assorbimento di radiazioni UV da parte di ossigeno ed ozono. Meccanismi di formazione e di scomparsa di quest'ultimo nella stratosfera ed effetti termici connessi. Processi catalitici nella distruzione dell'ozono: l'effetto dei CFC e di altri inquinanti. La formazione stagionale del ‘buco' dell'ozono sull'Antartide.