ΚΑΥΣΗ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ Καύση λέγεται η εξώθερμη αντίδραση μιας ουσίας με το οξυγόνο (είτε με καθαρό οξυγόνο είτε με το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα), που συνοδεύεται από εκπομπή φωτός και έκλυση θερμότητας. Σημειώνεται ότι, για να ξεκινήσει κάθε καύση απαιτείται η ενεργοποίηση των αντιδρώντων σωμάτων (ουσίας και οξυγόνου) με δημιουργία σπινθήρα ή με θέρμανσή τους σε κάποια (υψηλή) θερμοκρασία (παρά το ότι κάθε αντίδραση καύσης είναι εξώθερμη και αποδίδει θερμότητα στο περιβάλλον. Πλήρης καύση οργανικής ένωσης Στοιχείο που περιέχεται στην οργανική ένωση: Προϊόν πλήρους καύσης του στοιχείου αυτού: Το προϊόν καύσης δεσμεύεται από: Άνθρακας Διοξείδιο του άνθρακα (CO ) Διάλυμα βάσης, πχ. Ca(OH) Υδρογόνο Νερό (H O) Αφυδατικό διάλυμα πχ. CaCl ή πθ H SO 4 Άζωτο Ελεύθερο αέριο άζωτο (Ν ) (συλλέγεται σε αζωτόμετρο) Θείο Διοξείδιο του θείου (SO ) Διάλυμα βάσης, πχ. ΚOH Γραφή της χημικής εξίσωσης, που συμβολίζει μία αντίδραση πλήρους καύσης: Στο πρώτο μέλος της χημικής εξίσωσης πλήρους καύσης γράφω την προς καύση ουσία (πχ. οργανική ένωση) και το οξυγόνο. Στο δεύτερο μέλος γράφω τα προϊόντα της πλήρους καύσης, ανάλογα με τα στοιχεία που περιέχει η καιγόμενη ουσία (πχ. CO αν περιέχει άνθρακα, H O αν περιέχει υδρογόνο, N αν περιέχει άζωτο, SO αν περιέχει θείο). Αν η ένωση περιέχει οξυγόνο (το οποίο δεν καίγεται), αυτό θα περιέχεται στις οξυγονούχες ουσίες που σχηματίστηκαν κατά την καύση. Προσδιορίζω τους συντελεστές των προϊόντων ακολουθώντας την εξής λογική: Όσα άτομα άνθρακα περιέχονται σε ένα μόριο της καιγόμενης ουσίας τόσα άτομα άνθρακα θα πρέπει να περιέχονται και στο δεύτερο μέλος της χημικής εξίσωσης καύσης άρα και τόσα μόρια διοξειδίου του άνθρακα θα σχηματισθούν, αφού όλη η ποσότητα του άνθρακα της ουσίας μετατράπηκε σε διοξείδιο του άνθρακα και κάθε μόριο διοξειδίου του άνθρακα περιέχει ένα άτομο άνθρακα. Με ανάλογους συλλογισμούς προκύπτει ότι, ο αριθμός των μορίων του νερού που παριστάνονται στο δεύτερο μέρος της χημικής εξίσωσης καύσης θα είναι μισός του αριθμού των ατόμων του υδρογόνου που περιέχονται σε ένα μόριο της καιγόμενης ουσίας, ο αριθμός των μορίων του αζώτου που παριστάνονται στο δεύτερο μέρος της χημικής εξίσωσης καύσης θα είναι μισός του αριθμού των ατόμων του αζώτου που περιέχονται σε ένα μόριο της καιγόμενης ουσίας και ο αριθμός των μορίων του διοξειδίου του θείου που παριστάνονται στο δεύτερο μέρος της χημικής εξίσωσης καύσης θα είναι ίσος με τον αριθμό των ατόμων του θείου που περιέχονται σε ένα μόριο της καιγόμενης ουσίας. Αν η διαθέσιμη προς καύση ποσότητα οξυγόνου είναι μικρότερη της στοιχειομετρικά απαιτούμενης για την πλήρη καύση της ουσίας, τότε η καύση είναι ατελής και σχηματίζεται μίγμα, μη προβλέψιμων, προϊόντων. Για παράδειγμα, η ατελής καύση ενός υδρογονάνθρακα (C x H ψ ) μπορεί να δώσει μίγμα διοξειδίου του άνθρακα (CO ), μονοξειδίου του άνθρακα (CO), άνθρακα (αιθάλης) (C), νερού (H O) και άκαυστου υδρογονάνθρακα (C x H ψ ), υπό διαφορετικές αναλογίες, ανάλογα με τις συνθήκες καύσης του υδρογονάνθρακα αυτού.
Έχοντας συμπληρώσει τους συντελεστές των προϊόντων, βρίσκω το σύνολο των ατόμων του οξυγόνου που περιέχονται σε όλες τις οξυγονούχες ουσίες του δευτέρου μέλους (CO, H O και SO ). Από αυτόν τον αριθμό ατόμων οξυγόνου αφαιρώ τον αριθμό ατόμων οξυγόνου που τυχόν περιέχονται σε ένα μόριο της καιγόμενης ουσίας και το ήμισυ του αριθμού που προκύπτει τοποθετώ ως συντελεστή του μοριακού οξυγόνου (Ο ) στο πρώτο μέλος της χημικής εξίσωσης. Παράδειγμα γραφής της χημικής εξίσωσης μιας αντίδρασης καύσης: Να γραφεί η χημική εξίσωση της πλήρους καύσης ατμών αιθανόλης. Στο πρώτο μέλος της χημικής εξίσωσης γράφω την αιθανόλη και οξυγόνο: CH 3 CH OΗ () + O () Στο δεύτερο μέλος της χημικής εξίσωσης γράφω διοξείδιο του άνθρακα (αφού η καιγόμενη ένωση περιέχει άνθρακα) και νερό (αφού η καιγόμενη ένωση περιέχει υδρογόνο). Το οξυγόνο της καιγόμενης ένωσης δεν καίγεται αλλά ενσωματώνεται κι αυτό στα οξυγονούχα προϊόντα της καύσης: CH 3 CH OΗ () + O () CO () + H O () Σε ένα μόριο αιθανόλης περιέχονται δύο άτομα άνθρακα άρα βάζω συντελεστή δύο στο διοξείδιο του άνθρακα στο δεύτερο μέλος της χημικής εξίσωσης. Ανάλογα, σε ένα μόριο αιθανόλης περιέχονται έξι άτομα υδρογόνου άρα βάζω συντελεστή τρία στο νερό στο δεύτερο μέλος της χημικής εξίσωσης: CH 3 CH OΗ () + O () CO () + 3 H O () Τέλος, καθορίζω το συντελεστή του οξυγόνου στο πρώτο μέλος της χημικής εξίσωσης: Στο δεύτερο μέλος της χημικής εξίσωσης περιέχονται: Χ = 4 άτομα οξυγόνου στα δύο μόρια διοξειδίου του άνθρακα και 3 Χ = 3 άτομα οξυγόνου στα τρία μόρια νερού, δηλαδή 4 + 3 = 7 άτομα οξυγόνου συνολικά. Στο πρώτο μέλος της χημικής εξίσωσης περιέχονται: Χ = άτομο οξυγόνου στο ένα μόριο αιθανόλης. Συνεπώς, τα υπόλοιπα 7 = 6 άτομα οξυγόνου θα δοθούν από το μοριακό οξυγόνο του πρώτου μέλους της χημικής εξίσωσης, δηλαδή απαιτούνται 6 : = 3 μόρια μοριακού οξυγόνου (Ο ): CH 3 CH OΗ () + 3 O () CO () + 3 H O () Έτσι, η χημική εξίσωση της πλήρους καύσης της αιθανόλης είναι η εξής: CH 3 CH OΗ () + 3 O () CO () + 3 H O () Ασκήσεις: Να γράψετε τις χημικές εξισώσεις των πλήρων καύσεων των παρακάτω οργανικών ενώσεων: C H 6, C χ H ψ, C ν H ν+, C 3 H 6, C ν H ν, CHCH, C κ H κ-, CH 3 CH(OH)CH 3.
3 Στοιχειομετρικοί υπολογισμοί με βάση τη χημική εξίσωση μιας αντίδρασης Γνωρίζουμε ότι ο λόγος των συντελεστών μιας (σωστά) ισοσταθμισμένης χημικής εξίσωσης παριστάνει και το λόγο των των αντιδρώντων σωμάτων και των προϊόντων της αντίδρασης, καθώς επίσης και το λόγο των όγκων των αερίων αντιδρώντων σωμάτων και των αερίων προϊόντων της αντίδρασης (εφόσον αυτοί μετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας). Έστω για παράδειγμα, η χημική εξίσωση: C H 4 () + 3 O () CO () + H O (), που συμβολίζει τη χημική αντίδραση της πλήρους καύσης του αιθενίου με καθαρό οξυγόνο. Από αυτήν προκύπτουν τα παρακάτω: C H 4 () καίγεται πλήρως με 3 O () και σχηματίζονται CO () και H O () C H 4 () καίγεται πλήρως με 3 O () και σχηματίζονται CO () και H O (), εφόσον οι όγκοι όλων των αερίων μετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες. Υπενθυμίζουμε επίσης ότι, οι αριθμοί των διαφόρων ουσιών (αντιδρώντων - προϊόντων), που χρησιμοποιούνται ως δεδομένα ή προκύπτουν ως ζητούμενα, αναφέρονται σε χημικά καθαρές ουσίες (όχι σε μίγματα που τις περιέχουν). Άσκηση : Καίγονται πλήρως 3,5 αιθενίου, καθαρότητας 80 % w/w, με καθαρό οξυγόνο. Να βρείτε: (α) τον όγκο ( ) του σχηματιζόμενου διοξειδίου του άνθρακα σε STP, (β) τη μάζα (m) του σχηματιζόμενου νερού και (γ) τον όγκο ( ) του καθαρού οξυγόνου, που απαιτήθηκε για την πλήρη αυτή καύση, αν αυτό μετρήθηκε σε πίεση 0,9 atm και θερμοκρασία 7 C,. Δίδονται: Α (C) =, Α (H) =, Α (O) = 6 και Λύση: R 0, 08 atm K Αρχικά υπολογίζω τη μάζα του χημικά καθαρού αιθενίου, που περιέχεται σε 3,5 αιθενίου καθαρότητας 80 % w/w: Καθαρότητα 80 % w/w Σε 00 ακάθαρτου αιθενίου περιέχονται 80 καθαρού αιθενίου Σε 3,5 ακάθαρτου αιθενίου περιέχονται m o καθαρού αιθενίου 00 80 Οπότε, mo =,8 καθαρού αιθενίου 3,5 m o Υπολογίζω τον αριθμό του χημικά καθαρού αιθενίου (με βάση τα οποία θα γίνουν οι υπολογισμοί): mo,8 0, ( A ( C) 4 A... 8 ) 8 Γράφω τη χημική εξίσωση, που συμβολίζει τη χημική αντίδραση της πλήρους καύσης του αιθενίου με οξυγόνο (προσοχή! Η χημική εξίσωση πρέπει να είναι σωστά ισοσταθμισμένη): C H 4 () + 3 O () CO () + H O () Από τη χημική εξίσωση αυτή βρίσκω το λόγο των των αντιδρώντων σωμάτων και των προϊόντων της αντίδρασης (κάτω από καθεμιά ουσία γράφω τα αντίστοιχα ): C H 4 () + 3 O () CO () + H O () C H 4 () αντιδρά πλήρως με 3 O () και σχηματίζονται CO () και H O () Από το λόγο των αυτό και με βάση τα της ουσίας που άμεσα δόθηκαν ή έμμεσα υπολογίστηκαν βρίσκω τα των ουσιών για τις οποίες ζητώ να υπολογίσω κάτι: C H 4 () αντιδρά πλήρως με 3 O () και σχηματίζονται CO () και H O () 0, C H 4 () αντιδρά πλήρως με O () και σχηματίζονται CO () και 3 H O ()
4 Οπότε: 0, 3, 0,, 0, και = 0,3 O, = 0, CO και 3 = 0, H O. 3 Τέλος, από τα αυτά που υπολόγισα και με βάση τις θεωρητικές γνώσεις μου υπολογίζω τα ζητούμενα: (α) m( 0,,4 και τελικά = 4,48 O (. m( m (β) 3 m 3 m 0, 8 και τελικά m = 3,6 H O. ( A A ( O)... 8 ) atm 0,3 0,08 300K R T (γ) p R T K p 0,9atm και τελικά = 8, O (στις δεδομένες συνθήκες). Όταν υπάρχει περίσσεια κάποιου αντιδρώντος, τότε θα αντιδράσει μόνον η στοιχειομετρικά υπολογιζόμενη ποσότητά του. Στις περιπτώσεις αυτές, κάτω από τη χημική εξίσωση της αντίδρασης που λαμβάνει χώρα, καταστρώνω πίνακα των των ουσιών στον οποίο περιέχονται:. Οι αριθμοί των συνολικών των ουσιών που συνολικά εισάγονται προς αντίδραση, οι οποίοι δίδονται άμεσα ή έμμεσα από την εκφώνηση της άσκησης (πρώτη γραμμή του πίνακα).. Οι αριθμοί των των ουσιών που αντιδρούν και οι αριθμοί των των ουσιών που σχηματίζονται, οι οποίοι υπολογίζονται στοιχειομετρικά (δεύτερη και τρίτη γραμμή του πίνακα, αντίστοιχα). 3. Οι αριθμοί των τελικών των ουσιών που υπάρχουν μετά το πέρας της αντίδρασης (δηλαδή, των του αντιδρώντος που περίσσεψαν και των των προϊόντων που σχηματίστηκαν), οι οποίοι προκύπτουν ως αλγεβρικά αθροίσματα των των τριών πρώτων γραμμών του πίνακα (τέταρτη γραμμή του πίνακα). Άσκηση : Αναμειγνύονται,8 καθαρού αιθενίου, με, ( καθαρού οξυγόνου. Να αποδείξετε ότι υπάρχει περίσσεια οξυγόνου και να υπολογίσετε τον όγκο της σε STP. Δίδονται: Α (C) = και Α (H) = Λύση: Υπολογίζω τον αριθμό των αρχικών των ουσιών που εισάγονται προς αντίδραση, δηλαδή του χημικά καθαρού αιθενίου και του χημικά καθαρού οξυγόνου: m,8 0, ( A ( C) 4 A... 8 ) 8 o, 0, 5 m(,4
5 Γράφω τη χημική εξίσωση, που συμβολίζει τη χημική αντίδραση της πλήρους καύσης του αιθενίου με οξυγόνο (προσοχή! Η χημική εξίσωση πρέπει να είναι σωστά ισοσταθμισμένη): C H 4 () + 3 O () CO () + H O () Από τη χημική εξίσωση αυτή βρίσκω το λόγο των των σωμάτων που αντιδρούν, δηλαδή αιθενίου και οξυγόνου: C H 4 () + 3 O () CO () + H O () C H 4 () αντιδρά πλήρως με 3 O () Από την αναλογία αυτή και με βάση τα των ουσιών που δόθηκαν βρίσκω ότι το οξυγόνο είναι σε περίσσεια: C H 4 () αντιδρά πλήρως με 3 O () συνεπώς: 0, C H 4 () αντιδρά πλήρως με 0,3 O () Οπότε, αφού αναμείχθηκαν 0, C H 4 με 0,5 O, τα (0,5-0,3 ) = 0, O, αποτελούν περίσσεια και δε θα αντιδράσουν. Kάτω από τη χημική εξίσωση καταστρώνω πίνακα των των ουσιών: C H 4 () + 3 O () CO () + H O () Αρχικά 0, 0,5 0 0 Αντιδρούν 0, 30, Σχηματίζονται 0, 0, Τελικά 0, - 0, = 0 0,5-0,3 = 0, 0 + 0, = 0, 0 + 0, = 0, Τέλος, από τα τελικά του παραπάνω πίνακα και με βάση τις θεωρητικές γνώσεις μου υπολογίζω τα ζητούμενα: m( 0,,4 και τελικά m( = 4,48 περίσσειας O (. Ασκήσεις (καύσης):.,6 μεθανίου καίγονται πλήρως με καθαρό οξυγόνο. Να υπολογίσετε τον όγκο του διοξειδίου του άνθρακα (σε και τη μάζα του νερού που σχηματίστηκαν.. Σε κενό κλειστό δοχείο αναμειγνύονται,3 ατμών καθαρής αιθανόλης με 4,48 ( καθαρού οξυγόνου και εκρήγνυται σπινθήρας. Να υπολογίσετε την επί τοις εκατό κατ όγκο (% v/v) σύσταση των αερίων ουσιών που απομένουν στο δοχείο μετά την πλήρη καύση της αιθανόλης, (α) προ της ψύξης τους και (β) μετά την ψύξη τους σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. 3. 50 cm 3 καθαρού αιθινίου αναμειγνύονται με ( ατμοσφαιρικού αέρα (ο οποίος περιέχει 0 % v/v Ο και 80 % v/v Ν ) σε κενό κλειστό δοχείο και εκρήγνυται σπινθήρας. Να υπολογίσετε την επί τοις εκατό κατά βάρος (% w/w) σύσταση των αερίων ουσιών που απομένουν στο δοχείο μετά την πλήρη καύση του αιθινίου, (α) προ της ψύξης τους και (β) μετά την ψύξη τους σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. 4. Άσκηση 65, σελ. 74 σχολικού βιβλίου.
6 Σημειώνεται ότι η ίδια διαδικασία ακολουθείται στην επίλυση οποιασδήποτε στοιχειομετρικής άσκησης. Βεβαίως απαραίτητη προϋπόθεση είναι η γνώση των αντιδράσεων που διδασκόμαστε στη θεωρία της χημείας (δες και στο αντίστοιχο φυλλάδιο). Άσκηση 3: Σε 6 καθαρής προπανόλης επιδρούμε με 00 m διαλύματος αιθανικού οξέος Μ. Να βρείτε τα είδη των χημικών ουσιών που θα απομείνουν μετά την αντίδραση και τις αντίστοιχες συγκεντρώσεις τους (σε ), αν ο όγκος του τελικού διαλύματος θεωρηθεί 00 m. Δίδονται: Α (C) =, Α (H) = και Α (O) = 6. Να θεωρήσετε όλες τις αντιδράσεις μονόδρομες. Λύση: Υπολογίζω τον αριθμό της χημικά καθαρής προπανόλης και του χημικά καθαρού αιθανικού οξέος που περιέχεται στα 00 m διαλύματός του, με συγκέντρωση Μ: m 6 0, 3 A ( C) 8 A A ( O)... 60 ) 60 C C 0, 0, Γράφω τη χημική εξίσωση, που συμβολίζει την αντίδραση εστεροποίησης (προσοχή! Η χημική εξίσωση πρέπει να είναι σωστά ισοσταθμισμένη) και κάτω από αυτή καταστρώνω πίνακα των των ουσιών: CH 3 COOH + CH 3 CH CH OH CH 3 COOCH CH CH 3 + H O Αρχικά 0, 0, 0 0 Αντιδρούν 0, 0, Σχηματίζονται 0, 0, Τελικά 0, - 0, = 0, - 0, = 0 + 0, = 0 + 0, = 0, 0 0, 0, Τέλος, από τα τελικά του παραπάνω πίνακα και με βάση τις θεωρητικές γνώσεις μου υπολογίζω τα ζητούμενα: Στο τελικό διάλυμα θα περιέχονται: 0, Αιθανικό (οξικό) οξύ, με [CH 3 COOH] = [CH 3 COOH] = 0,5. 0, 0, Αιθανικός (οξικός) προπυλεστέρας, με [CH 3 COOCH CH CH 3 ] = 0, [CH 3 COOCH CH CH 3 ] = 0,5. (το νερό που σχηματίστηκε περιέχεται ως διαλύτης στα 00 m του τελικού διαλύματος) Ασκήσεις (διάφορες, σχολικού βιβλίου):. Σελ. 73: 59, 63. Σελ. 74: 67 3. Σελ. 97:, 6, 8, 30 4. Σελ. 5: 5. Σελ. 6: 4