La lignite è un carbon fossile di formazione relativamente recente, originatosi da foreste del secondario e del terziario.
La lignite possiede un’umidità relativa piuttosto elevata, mediamente superiore al 21%, e la sua carbonificazione non è mai del tutto completa, il che la rende un combustibile di limitato pregio.
La lignite è stata ampiamente utilizzata in tutta Italia fino agli anni 50 e ’60, soprattutto per la produzione di energia elettrica necessaria per la nascente industria italiana.
Il suo sfruttamento ha spesso portato a notevoli scempi paesaggistici, ormai quasi completamente abbandonati, grazie alla crescente sensibilità ecologica e territoriale.
carbone è un combustibile fossile estratto dal terreno sia in miniere, che in miniere a cielo aperto.
È un combustibile pronto all’uso, formato da roccia sedimentaria nera o bruna. È composto principalmente da carbonio e idrocarburi, oltre a vari altri elementi assortiti, compresi alcuni a base di zolfo. Esistono vari metodi di analisi per caratterizzarlo. Spesso associato alla Rivoluzione Industriale, il carbone rimane un carburante assolutamente importante, e produce un quarto dell’elettricità in tutto il mondo.
Negli Stati Uniti circa la metà dell’elettricità è generata dal carbone. In Italia la quota è del 17 per cento. In passato era utilizzato anche per alimentare alcuni mezzi di trasporto, quali le locomotive.
Dal lavaggio del gas di carbone si ottiene inoltre come sottoprodotto il catrame di carbone
La lignite è nota come combustibile fino dall’antichità, come è accaduto per il petrolio, ma è solo dal 1700 che è divenuto una fonte primaria di energia, sostituendo il legno soprattutto in Gran Bretagna con la famosa Rivoluzione Industriale.
I carboni sono delle vere e proprie rocce sedimentarie e sono costituiti dai resti di accumuli vegetali, modificati dalle pressioni e temperature che si trovano in profondità nella crosta, e come nel caso del petrolio, anche il carbone nasce attraverso una progressiva eliminazione, dai resti vegetali, di componenti come idrogeno e ossigeno con un conseguente arricchimento indiretto di carbonio che lo portano a diverse litologie a seconda della percentuale di carbonio presente.
Quindi le zone più favorevoli per la formazione di depositi organici vegetali sono le pianure costiere, le lagune, gli acquitrini delle alte latitudini, come in Russia, Canada, Nord Europa, dove il clima freddo rallenta la decomposizione, ma anche in regioni calde umide che favoriscono la crescita di vegetali. Quando questi accumuli vengono sepolti, inizia la fase di formazione del carbone che inizialmente sarà un fitto intreccio di resti vegetali chiamato torba dove le condizioni anaerobiche dell’ambiente impediscono l’ossidazione e la decomposizione batterica. Possiamo anche avere la formazione del sapropel, cioè una fanghiglia originata da depositi di organismi planctonici, materiali argillosi e resti di piante superiori in acque stagnanti come nel Mare Nero; solitamente contiene più del 10% di materia organica e può essere finemente laminato. Nello schema accanto la distribuzione mondiale di carboni fossili; non è stata inclusa l’Antartide.
Con l’aumentare della profondità aumenta anche la temperatura e il materiale organico subisce una maturazione, cioè una eliminazione graduale dei componenti, aumentando sempre più la quantità di carbonio passando dalle torbe alle ligniti, ai litantraci fino alle antraciti dove il contenuto di carbonio raggiunge il 95% e quindi il suo potere calorifico è molto più alto; è per questo che le antraciti sono il tipo di carbone più pregiato. Se il materiale subisce una ulteriore eliminazione delle particelle rimarrà solo carbonio puro che da vita alla grafite che non trova un impiego come combustibile.
Il processo che porta dalla pianta vegetale alla formazione di antracite naturalmente è lunghissimo e può richiedere diversi milioni di anni, se non centinaia di milioni per la sua attuazione. Nel caso che movimenti tettonici riportino il materiale in superficie il processo di maturazione del carbone si arresta immediatamente e il materiale inizia a degradarsi. Questo rappresenta infatti un problema nelle cave a cielo aperto o in miniere a bassa profondità.
In figura accanto una cava a cielo aperto di litantrace, Bowen Australia; sotto le fasi di formazione: nella prima si accumulano i resti, poi vengono ricoperti dai sedimento portati dall’innalzamento marino; successivamente il mare si ritira e ricomincia il ciclo fino a quando non si completa la maturazione nel corso di milioni di anni.
Che cosa è un idrocarburo.
Gli idrocarburi sono composti organici, che contengono soltanto atomi di carbonio e di idrogeno. Gli atomi di carbonio (C) sono legati tra loro a formare lo scheletro della molecola, mentre gli idrogeni (H) sporgono da questo scheletro. Ad oggi sono stati classificati oltre 133mila tipi di idrocarburi. Viene attualmente definito composto organico qualsiasi composto del carbonio in cui questi ha numero di ossidazione inferiore a +4. Sono pertanto esclusi l’anidride carbonica, l’acido carbonico ed i suoi sali, ovvero i bicarbonati e i carbonati. Il monossido di carbonio benché abbia un carbonio con numero di ossidazione minore e quindi sia incluso nella definizione è comunque considerato un composto inorganico.
L’aggettivo "organico" ha origini storiche; anticamente si pensava infatti che le sostanze estratte da tessuti provenienti da organismi viventi, vegetali o animali, possedessero proprietà peculiari derivanti proprio dalla loro origine "organica" e che quindi non potessero essere sintetizzate o che i loro equivalenti sintetici fossero diversi per la mancanza di queste particolari proprietà. La sintesi in laboratorio dell’urea e la constatazione che l’urea sintetica ha le medesime proprietà chimico-fisiche di quella estratta dall’urina fecero cadere questo assunto e portarono alla definizione di "composto organico" attualmente in uso.
In generale i composti organici sono costituiti da uno scheletro di carbonio e idrogeno legante qualche eteroatomo che può essere: ossigeno, azoto, zolfo, fosforo, silicio.
Nelle strutture di questi composti si trovano dei gruppi ricorrenti di atomi e legami che conferiscono alla molecola proprietà e reattività tipiche. Tali gruppi vengono detti gruppi funzionali, ed i composti suddivisi in classi a seconda del gruppo o dei gruppi che la molecola presenta. Questo tipo di suddivisione prende il nome di sistematica organica.
L’idrocarburo più semplice è il metano di formula CH4. Aumentando il numero di carboni troviamo l’etano, di formula C2H6, l’etene (o etilene), C2H4 e l’etino, C2H2. Da quanto detto si può dedurre la struttura di un generico idrocarburo: ogni carbonio usa da uno a tre elettroni di valenza per formare legami con il carbonio adiacente, mentre i restanti elettroni di valenza del carbonio, sono utilizzati per i legami con gli atomi di idrogeno.
Classificazione idrocarburi
Una prima distinzione tra i vari idrocarburi naturali si riferisce al loro stato fisico nelle condizioni di pressione e di temperatura ambientali e cioè:
· Idrocarburi solidi o semisolidi: asfalto, bitume, ecc.
· Idrocarburi liquidi: petrolio (grezzo)
· Idrocarburi gassosi: metano ed eventualmente altri gas come etano, propano, butano, ecc.
Una ulteriore distinzione può essere fatta in base alle caratteristiche chimiche, ottenendo tre classi principali:
· Idrocarburi aromatici, anelli con caratteristiche che li rendono particolarmente stabili.
· Idrocarburi saturi o alcani, con soli legami C-C, CnH2n+2
· Idrocarburi insaturi e tra questi:
· alcheni, con almeno un legame C=C, CnH2n
· alchini, con almeno un legame triplo C≡C, CnH2n-2
Gli idrocarburi non aromatici si dicono, per distinzione con questi ultimi, alifatici. A seconda che lo scheletro carbonioso dell’idrocarburo alifatico sia lineare o si chiuda ad anello si hanno:
· idrocarburi aliciclici (le catene di atomi di carbonio si chiudono a formare anelli)
· cicloalcani (CnH2n)
· cicloalcheni (CnH2n-2)
· cicloalchini (CnH2n-4)
A seconda del tipo di catena gli idrocarburi aromatici si possono dividere in
· idrocarburi aromatici
· benzene e derivati
· idrocarburi aromatici polinucleati
Proprietà
In generale per gli alcani aciclici, quelli con peso molecolare simile hanno proprietà chimico-fisiche simili. Gli idrocarburi con cicli formati da meno di sei atomi di carbonio sono particolarmente instabili a causa della piccolezza dell’anello (tensione d’anello). In generale gli idrocarburi saturi benché siano facilmente infiammabili e quindi reagiscano facilmente con l’ossigeno, hanno una relativa inerzia chimica, sono infatti anche detti paraffine Gli idrocarburi contenenti insaturazioni hanno altre proprietà dovute ai doppi o tripli legami e sono chimicamente più reattivi nelle posizioni contenenti il doppio o triplo legame. Gli idrocarburi aromatici, sono invece, appunto per l’aromaticità, molto stabili ed hanno una reattività chimica diversa da quella degli idrocarburi alifatici. Esistono in natura varie miscele degli idrocarburi suddetti, con caratteri fisici e chimici intermedi fra una categoria e l’altra.Le molecole degli alcani e dei cicloalcani sono apolari in quanto anche se il legame covalente C-H è polarizzato perché la differenza di elettronegatività è 0,4,la struttura tetraedrica porta a una distribuzione della carica nelle molecole complessivamente simmetrica;e le connsiderazioni sulla loro struttura molecolare trovano conferma nelle prove di solubilità dato che gli alcani sono praticamente insolubili in acqua mentre si sciolgono in solventi apolari.
Idrocarburi solidi
Si definisce solido una porzione di materia che si trova in uno stato condensato; in tali condizioni le particelle che lo compongono (atomi, molecole o ioni) sono:
· fortemente impacchettate tra loro
· oscillano attorno a posizioni relative fisse nello spazio (moto di agitazione termica)
· reagiscono ai cambiamenti di forma e di volume con sforzi che sono funzione dell’entità della deformazione subita.
La branca della fisica che si occupa dei solidi è detta fisica dello stato solido, mentre la chimica dello stato solido si concentra principalmente sulla natura e proprietà chimiche e chimico-fisiche dei solidi.
Tipi
I solidi possono essere distinti in amorfi e cristallini a seconda che sia individuabile o no una struttura regolare nella disposizione delle particelle che li compongono. Un discorso a parte meritano i polimeri, nei quali generalmente zone a struttura regolare (cristallina) coesistono frammiste con zone a struttura irregolare (amorfa): in questi casi si usa parlare di percentuale di cristallinità.
La struttura di un solido ne influenza profondamente le proprietà: si pensi per esempio che la grafite pura e il diamante sono entrambi costituiti da atomi di carbonio e differiscono tra loro solo per il reticolo cristallino.
I solidi cristallini hanno punto di fusione ben definito e talvolta presentano comportamenti differenti in differenti direzioni di misurazione, ovvero possono essere anisotropi. In presenza di un solvente molto polare quale l’acqua, danno luogo a soluzioni in cui gli ioni esistono solvatati in fase liquida. Sia tali soluzioni sia i solidi ionici fusi sono in grado di condurre la corrente elettrica, mentre allo stato solido ciò non è possibile perché gli elettroni sono implicati rigidamente nel legame ionico così come lo sono gli ioni.
I solidi amorfi, come conseguenza della loro struttura casuale, sono caratterizzati da maggior contenuto entropico rispetto ai solidi ionici e non hanno punto di fusione ben definito (i legami tra le particelle non hanno tutti la stessa forza) e costante nel tempo. Hanno la caratteristica di essere materiali isotropi e non sono solubili nei comuni solventi.
I solidi cristallini possono essere ulteriormente classificati in base alla disposizione spaziale assunta dalle particelle che li compongono, ossia al loro reticolo cristallino e all’essere formati da un singolo cristallo (monocristalli) o da più cristalli (policristalli) aggregati tra loro. I monocristalli sono molto sfruttati per la caratterizzazione di questi composti tramite metodiche quali la diffrazione dei raggi X, la spettroscopia di diffrazione elettronica e la spettroscopia fotoelettronica.
Idrocarburi liquidi
Il liquido, uno degli stati della materia, è un fluido il cui volume è costante a temperatura e pressione costanti e la cui forma è solitamente quella del contenitore che il liquido stesso riempie.
In un campo gravitazionale costante, come approssimativamente accade sulla superficie terrestre, la pressione in un liquido fermo è pari a
dove ρ è la densità del liquido (che si suppone uniforme) e z è la profondità del punto considerato, p0 la pressione alla superficie libera e g l’accelerazione di gravità.
curiosità: normalmente vengono indicati come fluidi incomprimibili, invece i liquidi hanno un coefficiente di comprimibilità che varia in funzione della natura del liquido stesso. alcuni di questi liquidi come l’acqua sono stati testati a pressioni fino a 10.000 bar dando variazioni molto piccole, invece altri come gli idrocarburi hanno sensibili variazioni con pressioni di 100 bar.
Idrocarburi gassosi
Un gas è un aeriforme caratterizzato da una temperatura critica inferiore alla temperatura ambiente; gli aeriformi per cui ciò non avviene si trovano nello stato di vapore.
In pratica, un gas può anche essere definito come un aeriforme non condensabile a temperatura ambiente.
Inoltre, per estensione, tutti gli aeriformi che si trovano ad una temperatura superiore a quella critica vengono detti gas: un esempio è dato dal vapore d’acqua, caratterizzato da una temperatura critica superiore a quella ambiente (374 °C), viene definito come "gas d’acqua" solo quando viene portato a superare questa temperatura (temperatura critica).
Il gas, come tutti gli aeriformi, rappresenta lo stato della materia in cui le forze interatomiche e intermolecolari tra le singole particelle di una sostanza sono così piccole che non c’è più un’effettiva coesione tra di esse. Gli atomi o le molecole del gas sono liberi di muoversi assumendo ciascuno una certa velocità: le particelle atomiche o molecolari del gas quindi interagiscono urtandosi continuamente l’un l’altra. Per questo un gas non ha un volume definito ma tende ad occupare tutto lo spazio a sua disposizione, e assume la forma del contenitore che lo contiene, riempiendolo completamente. Un altro vincolo che può limitare il volume di un gas è un campo gravitazionale, come nel caso dell’atmosfera terrestre.
Nel linguaggio corrente si dice comunque che una data sostanza "è un gas" quando la sua temperatura di ebollizione è molto al di sotto della temperatura ambiente, cioè quando si trova normalmente allo stato di gas sulla Terra. Per esempio è normale dire che "il metano è un gas mentre il ferro non lo è", sebbene il metano possa benissimo trovarsi allo stato liquido (raffreddato al di sotto di 161 °C) e il ferro allo stato gassoso (riscaldato oltre i 2750 °C).
Un gas può essere approssimato ad un gas ideale quando si trova ad una temperatura "molto maggiore" della sua temperatura critica, ossia che T > > Tcr[ (il segno ">>" si legge "molto maggiore" e convenzionalmente si intende che i due termini devono differire di almeno un ordine di grandezza). Ciò equivale a chiedere che .
La temperatura critica si colloca sul punto di massimo della curva del liquido-vapore (a forma di campana). All’interno della campana, il fluido cambia di fase, mentre al di sopra resta allo stato gassoso qualuque sia la pressione cui è sottoposto. Imponendo che T > > Tcr[, la curva del liquido-vapore può non essere rappresentata nel diagramma di Andrews (diagramma pressione-volume), non è visibile se si adotta una scala normale.
Combustibili fossili
Si definiscono fossili quei combustibili che derivano dalla trasformazione, sviluppatasi in milioni di anni, della sostanza organica in forme via via più stabili e ricche di carbonio. Rientrano in questo campo dunque:
· Petrolio e derivati
· Carbone
· Gas naturale
I combustibili fossili sono oggigiorno la principale fonte energetica dell’umanità, grazie ad alcune importanti caratteristiche che li contraddistinguono:
· sono "compatti", ovvero hanno un alto rapporto energia/volume
· sono facilmente trasportabili
· sono facilmente stoccabili
· sono utilizzabili con macchine relativamente semplici
· costano poco
In particolare quest’ultima caratteristica ha fatto sì che lo sviluppo di macchine che possano sfruttare fonti energetiche alternative sia ancora molto lento.
Hanno per contro numerosi svantaggi:
· sono inquinanti, anche se con l’utilizzo di macchine moderne questo problema si è notevolmente ridotto
· determinano un incremento di CO2 in atmosfera, un gas non inquinante ma oggi considerato come il maggiore imputato del surriscaldamento globale
· non sono rinnovabili, dato che il processo di fossilizzazione della sostanza organica è estremamente lungo e la quantità che si fossilizza è trascurabile rispetto ai fabbisogni energetici della società in cui viviamo
Quest’ultima caratteristica, con la conseguenza che i giacimenti vanno esaurendosi mentre le richieste energetiche aumentano (con conseguente aumento del prezzo) ed accompagnata dalla pressione dell’opinione pubblica che vede nei combustibili fossili la principale fonte di danni ambientali, fa sì che quote sempre maggiori di fonti energetiche alternative entrino nel paniere energetico nazionale, europeo e mondiale.
