🔥

Υδρογονάνθρακες και Καύση

Οργανική Χημεία, υδρογονάνθρακες, τέλεια και ατελής καύση, ανίχνευση διοξειδίου του άνθρακα και νερού

Γιατί η φλόγα του γκαζιού είναι μπλε, αλλά του κεριού κίτρινη και καπνίζει;

Στο γκαζάκι το βουτάνιο βρίσκει αρκετό οξυγόνο και καίγεται τέλεια — μπλε φλόγα, χωρίς καπνιά. Στο κερί η παραφίνη δεν βρίσκει αρκετό οξυγόνο: ένα μέρος του άνθρακα δεν καίγεται και μαυρίζει το πιάτο που περνάς από πάνω. Και τα δύο είναι υδρογονάνθρακες — οι ενώσεις που κινούν τον κόσμο μας.

Οργανική Χημεία και υδρογονάνθρακες

Η Οργανική Χημεία μελετά τις ενώσεις του άνθρακα, εκτός από τα οξείδια του άνθρακα και τα ανθρακικά άλατα. Ο άνθρακας σχηματίζει τεράστιο αριθμό ενώσεων γιατί τα άτομά του συνδέονται μεταξύ τους σε ανοικτές αλυσίδες και σε κλειστές αλυσίδες (δακτυλίους).

Οι υδρογονάνθρακες είναι ενώσεις που αποτελούνται μόνο από άνθρακα και υδρογόνο. Είναι περισσότεροι από 7 εκατομμύρια, και κύρια πηγή τους είναι το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο. Γνωστοί υδρογονάνθρακες: το μεθάνιο $CH_4$ (φυσικό αέριο), το προπάνιο $C_3H_8$ και το βουτάνιο $C_4H_{10}$ (υγραέριο, γκαζάκια), η παραφίνη του κεριού (μείγμα υδρογονανθράκων).

Γρήγορος έλεγχος

Ποια από τις παρακάτω ενώσεις είναι υδρογονάνθρακας;

Η καύση των υδρογονανθράκων

Καύση ονομάζεται η χημική αντίδραση ενός στοιχείου ή μιας ένωσης με το οξυγόνο, που συνοδεύεται από παραγωγή θερμότητας και φωτός. Τα αέρια προϊόντα της λέγονται καυσαέρια. Θυμήσου το οξυγόνο και τις καύσεις.

Πείραμα: πάνω από φλόγα βουτανίου βάζουμε χωνί που οδηγεί τα καυσαέρια σε σωλήνα με άνυδρο θειικό χαλκό και μετά σε διαυγές ασβεστόνερο.

Ο λευκός άνυδρος θειικός χαλκός γίνεται μπλε → παράχθηκε νερό (από το υδρογόνο του βουτανίου).
Το ασβεστόνερο θολώνει → παράχθηκε διοξείδιο του άνθρακα (από τον άνθρακα του βουτανίου).

Τέλεια καύση

Με επαρκές οξυγόνο ο άνθρακας γίνεται $CO_2$ και το υδρογόνο $H_2O$ — τέλεια καύση:

$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O\qquad 2C_4H_{10} + 13O_2 \rightarrow 8CO_2 + 10H_2O$

Ατελής καύση

Με ανεπαρκές οξυγόνο η καύση είναι ατελής: παράγονται υδρατμοί, αλλά ο άνθρακας γίνεται μονοξείδιο του άνθρακα ( $CO$ ) ή αιθάλη (άκαυστος άνθρακας, $C$ ) ή άλλα προϊόντα. Η αιθάλη είναι η μαύρη καπνιά του κεριού.

$2CH_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO + 4H_2O\qquad CH_4 + O_2 \rightarrow C + 2H_2O$

Μέθοδος: ισοσταθμίζω την καύση ενός υδρογονάνθρακα

Γράψε: υδρογονάνθρακας $+ O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$ (τέλεια) ή $CO$ / $C$ αντί για $CO_2$ (ατελής).
Ισοστάθμισε πρώτα τον άνθρακα (συντελεστής στο $CO_2$ ).
Μετά το υδρογόνο (συντελεστής στο $H_2O$ ).
Τελευταίο το οξυγόνο: μέτρησε τα O δεξιά και βάλε τον κατάλληλο συντελεστή στο $O_2$ .
Αν βγαίνει μισός συντελεστής, διπλασίασε όλους τους συντελεστές.

Παράδειγμα — η καύση του προπανίου: $C_3H_8 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$ .

Λύση: C: 3 → $3CO_2$ . H: 8 → $4H_2O$ . O δεξιά: $3 \cdot 2 + 4 = 10$ → $5O_2$ :

$C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$

Έλεγχος: C 3 = 3, H 8 = 8, O 10 = 10 ✓.

Παράδειγμα — μισός συντελεστής: Η τέλεια καύση του βουτανίου $C_4H_{10}$ .

Λύση: C: $4CO_2$ · H: 10 → $5H_2O$ · O δεξιά $8 + 5 = 13$ → θα χρειαζόταν $6{,}5\,O_2$ . Διπλασιάζουμε όλα:

$2C_4H_{10} + 13O_2 \rightarrow 8CO_2 + 10H_2O$

Έλεγχος: C 8 = 8, H 20 = 20, O 26 = 26 ✓.

Λυμένη άσκηση (τύπου διαγωνίσματος):

Δεδομένα: Μεθάνιο $CH_4$ καίγεται (α) με άφθονο αέρα, (β) σε κακοσυντηρημένη σόμπα με λίγο αέρα.

Ζητούμενα: (α) Τι είδους καύση γίνεται σε κάθε περίπτωση; (β) Οι χημικές εξισώσεις (τέλεια, ατελής προς $CO$ , ατελής προς αιθάλη). (γ) Πώς αποδεικνύεις ότι παράγονται νερό και $CO_2$ ;

Λύση:

(α) Με άφθονο αέρα → τέλεια· με λίγο αέρα → ατελής.

(β) Τέλεια: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$ · ατελής προς $CO$ : $2CH_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO + 4H_2O$ · ατελής προς αιθάλη: $CH_4 + O_2 \rightarrow C + 2H_2O$ .

(γ) Τα καυσαέρια κάνουν μπλε τον άνυδρο θειικό χαλκό (νερό) και θολώνουν το ασβεστόνερο ( $CO_2$ ).

Απάντηση: όπως παραπάνω.

Γρήγορος έλεγχος

Ποια είναι τα προϊόντα της τέλειας καύσης ενός υδρογονάνθρακα;

Γρήγορος έλεγχος

Πόσα μόρια οξυγόνου χρειάζονται για την τέλεια καύση ενός μορίου μεθανίου;

Κόλπο μνήμης

Ισοστάθμιση καύσης = «Κ-Υ-Ο»: πρώτα Κάρβουνο (άνθρακας), μετά Υδρογόνο, τελευταίο Οξυγόνο. Και το χρώμα της φλόγας: μπλε = τέλεια, κίτρινη με καπνιά = ατελής.

Ήξερες ότι;

Το κίτρινο φως της φλόγας του κεριού το δίνουν μικροσκοπικά σωματίδια αιθάλης που πυρακτώνονται καθώς καίγονται. Όταν ο αέρας είναι αρκετός, όπως στο γκαζάκι ή στο μάτι της κουζίνας, η αιθάλη δεν προλαβαίνει να σχηματιστεί και η φλόγα βγαίνει μπλε.

Πρόκληση

(α) Ισοστάθμισε την τέλεια καύση του αιθανίου $C_2H_6$ και του αιθινίου (ασετυλίνη) $C_2H_2$ , που έκαιγαν παλιά στις λάμπες του δρόμου. (β) Ποιος από τους δύο θέλει περισσότερα μόρια $O_2$ ανά μόριο καυσίμου; (γ) Ποιος από τους δύο θα έβγαζε πιο εύκολα αιθάλη αν ο αέρας ήταν λίγος;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Αιθάνιο: C 2 → $2CO_2$ , H 6 → $3H_2O$ , O $4 + 3 = 7$ → $3{,}5\,O_2$ → διπλασιάζουμε:

$2C_2H_6 + 7O_2 \rightarrow 4CO_2 + 6H_2O$

Αιθίνιο: C 2 → $2CO_2$ , H 2 → $1H_2O$ , O $4 + 1 = 5$ → $2{,}5\,O_2$ → διπλασιάζουμε:

$2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O$

(β) Αιθάνιο $7/2 = 3{,}5$ μόρια $O_2$ ανά μόριο· αιθίνιο $5/2 = 2{,}5$ . Περισσότερα θέλει το αιθάνιο.

(γ) Το αιθίνιο έχει πολύ περισσότερο άνθρακα σε σχέση με το υδρογόνο (2 C για 2 H) — με λίγο αέρα αφήνει εύκολα άκαυστο άνθρακα, γι' αυτό η φλόγα του καπνίζει.

Συνηθισμένα λάθη

Ισοσταθμίζεις πρώτα το οξυγόνο. Άφησέ το τελευταίο, αφού εμφανίζεται και στο $CO_2$ και στο $H_2O$ .
Τέλεια ↔ ατελής. Ατελής = λίγο οξυγόνο → $CO$ ή αιθάλη.
«Κάθε ένωση του άνθρακα είναι οργανική». Εξαιρούνται τα οξείδια του άνθρακα και τα ανθρακικά άλατα.
Μισοί συντελεστές στην τελική απάντηση: διπλασίασε όλους.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Οργανική Χημεία: ενώσεις του άνθρακα (εκτός οξειδίων και ανθρακικών)· αλυσίδες και δακτύλιοι.
Υδρογονάνθρακες: μόνο C και H (μεθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο)· πηγή το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο.
Καύση: αντίδραση με οξυγόνο με θερμότητα και φως· τα αέρια προϊόντα είναι τα καυσαέρια.
Τέλεια καύση → $CO_2 + H_2O$ (π.χ. $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$ )· ατελής → $CO$ ή αιθάλη.
Ανίχνευση: άνυδρος θειικός χαλκός μπλε (νερό), ασβεστόνερο θολό ( $CO_2$ ).

Οργανική Χημεία και υδρογονάνθρακες

CH_4

(φυσικό αέριο), το προπάνιο

C_3H_8

και το βουτάνιο

C_4H_{10}

(υγραέριο, γκαζάκια), η παραφίνη του κεριού (μείγμα υδρογονανθράκων).

Η καύση των υδρογονανθράκων

Ο λευκός άνυδρος θειικός χαλκός γίνεται μπλε → παράχθηκε νερό (από το υδρογόνο του βουτανίου).

Το ασβεστόνερο θολώνει → παράχθηκε διοξείδιο του άνθρακα (από τον άνθρακα του βουτανίου).

Τέλεια καύση

Με επαρκές οξυγόνο ο άνθρακας γίνεται

CO_2

και το υδρογόνο

H_2O

— τέλεια καύση: