ΚΑΥΣΗ

ΚΑΥΣΗ

Η χρησιμοποίηση της φωτιάς από τον άνθρωπο ήταν ένα από τα σημαντικότερα βήματα της εξέλιξης του ανθρώπινου είδους . Η αντίδραση αυτή του οξυγόνου (Ο₂) της ατμόσφαιρας  με τις ουσίες που περιέχει το ξύλο αποτέλεσε το πρώτο και σημαντικότερο χημικό φαινόμενο του ανθρώπινου είδους , το οποίο ο άνθρωπος χρησιμοποίησε σαν πηγή κυρίως ενέργειας , σαν πηγή φωτισμού αλλά και σαν όπλο. Το  φαινόμενο αυτό εξακολουθεί να  αποτελεί   και σήμερα  ίσως το σπουδαιότερο τμήμα της ανθρώπινης δραστηριότητας με τα θετικά της ( παραγωγή ενέργειας που είναι απαραίτητη για την πραγματοποίηση των χημικών αντιδράσεων και επομένως την παραγωγή σημαντικών υλικών )  αλλά και τα αρνητικά της  (παραγωγή ουσιών που ρυπαίνουν το περιβάλλον και δημιουργούν τεράστια προβλήματα στο οικοσύστημα ).

           Καύση ονομάζεται η αντίδραση μίας χημικής ουσίας με το οξυγόνο (ταχεία οξείδωση γενικότερα) και συνοδεύεται με την παραγωγή θερμότητας και φωτός .

Η καύση επομένως είναι μία σημαντική ιδιότητα  των περισσοτέρων χημικών ενώσεων και ειδικότερα των οργανικών ενώσεων , εφόσον όλες οι οργανικές ενώσεις καίγονται .

Τα σώματα που ενώνονται κυρίως με το οξυγόνο και μετατρέπουν τη χημική τους ενέργεια  σε θερμική ονομάζονται καύσιμα. Η θερμική ενέργεια  που παράγεται από την καύση των καυσίμων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού , για την θέρμανση και για την κίνηση των μεταφορικών μέσων.

Τα σπουδαιότερα καύσιμα είναι:

ΚΑΥΣΙΜΟ	ΣΥΣΤΑΣΗ	ΘΕΡΜΑΝΤΙΚΗ ΑΞΙΑ
Ανθρακίτης	94% C	31,4 MJ/Kgr
Ξυλάνθρακας	60% C,35% Η2Ο	11,6  MJ/Kgr
Λιγνίτης	67% C	21  MJ/Kgr
Ξύλο	53% C , 35% Η2Ο	13  MJ/Kgr
Βενζίνη	Κυρίως C8H18	35      MJ/Kgr
Αιθανόλη	C2H5OH	29,8 -23,5  MJ/Kgr
Μεθανόλη	CH3OH	23,8 - 18,8  MJ/Kgr
Φυσικό αέριο	CH4	55   MJ/Kgr
Υγραέριο	C3H8 και C4H10	49,5   MJ/Kgr
Υδρογόνο	H2	143   MJ/Kgr

ΣΤΕΡΕΑ

ΥΓΡΑ

ΑΕΡΙΑ

Με ποια σώματα γίνεται η καύση ;

 Η καύση μπορεί να γίνει με τα εξής σώματα :

α) το οξυγόνο (O₂)

β) αέρα συνήθως ( 20% Ο₂ , 80% Ν₂ )

VO₂ = 1/5 V _αέρα  ,  VN₂ = 4/5 V _αέρα  ,  VN₂ = 4 VO₂

γ) οξυγονούχες ενώσεις που παρέχουν εύκολα  οξυγόνο π.χ  CuO , KClO_{3 .}

 η μεταβολή στη μάζα της ουσίας θα οφείλεται στο O₂   π.χ    Δm = m _CuO – m _Cu

Ανάλογα με την ποσότητα της ένωσης ( οργανική συνήθως ) και το μέσο που προκαλεί την καύση αυτή μπορεί να είναι :

α) πλήρης ή τέλεια καύση , όταν υπάρχει η απαιτούμενη  ή περίσσεια  ποσότητας του μέσου που προκαλεί την καύση.

       Τα προϊόντα κατά την πλήρη καύση είναι συγκεκριμένα και κυρίως CO₂ και Η₂Ο

β)  ατελής καύση , όταν υπάρχει λιγότερη ποσότητα  του μέσου από αυτή που απαιτείται για την πλήρη καύση .

       Τα προϊόντα κατά την ατελή καύση δεν είναι συγκεκριμένα και κυρίως είναι CO ή C ή μίγμα  CO₂ , CO , C  και Η₂Ο

Γραφή μίας αντίδρασης πλήρους καύσης :

Αντιδρώντα:

Γράφουμε τον πιο συνοπτικό μοριακό τύπο της οργανικής ένωσης αν είναι γνωστός .

Συμβολίζουμε κατάλληλα (γενικό μοριακό τύπο )την οργανική ένωση αν δεν είναι γνωστή .

Όταν έχουμε καύση με αέρα στα αντιδρώντα γράφουμε μόνο το οξυγόνο γιατί το άζωτο δεν μετέχει στην αντίδραση.

Προϊόντα:

Γράφουμε τα προϊόντα της πλήρους καύσης που εξαρτώνται από το είδος των στοιχείων που περιέχει :

Στοιχείο            C                 H           O            N               S             X

Προϊόν             CO₂                H₂O         ---           N₂            SO₂           X₂ 

Συντελεστές :

Βάζουμε τους συντελεστές της αντίδρασης ως εξής :

Στο CO₂ :  τον αριθμό των ατόμων C στο μόριο της ένωσης .

Στο H₂O :  τον αριθμό των ατόμων H στο μόριο της ένωσης διά 2 .

Στο   Ο₂ :  υπολογίζουμε τα άτομα Ο στα προϊόντα , αφαιρούμε  τα άτομα Ο της ένωσης αν υπάρχουν και διαιρώντας δια 2  είναι ο συντελεστής του Ο₂ .

Παραδείγματα:

CH₄  +   2O₂                 CO₂   +  2 H₂O

C₂ H₄  +   3O₂               2 CO₂   +  2 H₂O              

 C_νΗ_2ν+2   +     (3ν+1)/2    Ο₂                   ν  CO₂      +   (ν+1) H₂O     

C₂ H₆Ο  +    3O₂                  2 CO₂   +  3 H₂O     

C_χ H_ψ  +  (4χ+ψ)/4 O₂           χCO₂   +  ψ/2 H₂O       

Kαυσαέρια :

Όλα τα αέρια προϊόντα της καύσης λέγονται καυσαέρια  και μπορούν να δεσμευθούν διαδοχικά  ως εξής :

H₂O :  α)   με ψύξη των προϊόντων της καύσης υγροποιούνται οι υδρατμοί , επομένως :

ΔV _ψύξη = V H₂ O

β)  διαβίβαση των καυσαερίων μέσα από υγροσκοπική ουσία ( αφυδατική ) π.χ   π-Η₂SO₄ , P₂O₅ , άνυδρα άλατα CaCl₂ , CuSO₄  και άρα :

Δm_υγρος = m H₂ O                      ,               ΔV_καυσ = V H₂ O

CO₂ :  διαβίβαση των καυσαερίων μέσα από διάλυμα βάσης ( π.χ NaOH , Ca(OH)₂ ) επομένως :

Δm_βαση = m CO₂                      ,               ΔV_καυσ = V CO₂

ΑΣΚΗΣΕΙΣ

1. Καίμε πλήρως  18 g πεντανίου .Να βρεθούν:

      α) Πόσα g H₂O σχηματίζονται.

      β) Πόσα L CO₂ σε STP παράγονται.

      γ) Πόσα L O₂ σε STP χρησιμοποιούνται για την καύση.

2.   Ζυγίσαμε ένα γκαζάκι που περιείχε βουτάνιο και βρήκαμε τη μάζα του ίση με 550 g . Το χρησιμοποιήσαμε για 20 min και όταν το ξαναζυγίσαμε βρήκαμε τη μάζα του 535,5 g.

α. Πόση μάζα CO₂ παράχθηκε με την παραπάνω χρήση;

β. Ποιος είναι ο μέσος ρυθμός έκλυσης θερμότητας από αυτή την καύση, αν η θερμαντική αξία του βουτανίου είναι 49,1 KJ/g ;

3. Μια ποσότητα αλκανίου καίγεται πλήρως και δίνει 11 g CO₂ και 6 g H₂O . Να βρεθεί ο μοριακός του τύπος.                                                           

4. 2,8 L αερίου αλκενίου μετρημένα σε συνθήκες  stp  καίγονται πλήρως και δίνουν 11 g CO₂. Να βρεθεί ο μοριακός του τύπος.                                

5. Μια ποσότητα αλκινίου καίγεται πλήρως και δίνει 14 L CO₂ μετρημένα σε πρότυπες συνθήκες και 9 g H₂O.  Να βρεθεί ο μοριακός του τύπος.  

6. Μια ποσότητα αλκινίου καίγεται πλήρως και καταναλώνει 5.6 L O₂ μετρημένα σε πρότυπες συνθήκες. Κατά την καύση αυτή παράγονται 2,7 g H₂O. Να βρεθεί ο μοριακός του τύπος.  

7. Κατά την τέλεια καύση αλκανίου καταναλώνονται 28 L O₂ μετρημένα σε πρότυπες συνθήκες και παράγονται 33 g CO₂. Να βρεθεί ο μοριακός του τύπος.  

8. Κατά την καύση αλκανίου παράγονται 4,4 g CO₂ και 2,1 g H₂O .α) Να βρεθεί ο μοριακός του τύπος. β) Να γραφούν και να ονομασθούν οι δυνατοί συντακτικοί τύποι.                                                              

9. 5,6 L αερίου υδρογονάνθρακα μετρημένα σε συνθ. STP καίγονται πλήρως και δίνουν 33 g CO₂ και 13,5 g H₂O.  Να βρεθεί ο μοριακός του τύπος. 

10.  2,8 L αερίου υδρογονάνθρακα καίγονται πλήρως και καταναλώνουν 5.6 L O₂. Κατά την καύση παράγονται 4,5 g H₂O.  Να βρεθεί ο μοριακός τύπος του υδρογονάνθρακα αν οι όγκοι μετρήθηκαν σε πρότυπες συνθήκες.

11. Αλκάνιο καίγεται πλήρως και δίνει τριπλάσια μάζα CO₂ από τη μάζα του. Να βρεθεί ο μοριακός του τύπος. 

12. Αλκίνιο απαιτεί για την πλήρη καύση του τετραπλάσιο όγκο O₂ από τον όγκο του. Να βρεθεί ο μοριακός του τύπος. 

13. 50 mL αέριου υδρογονάνθρακα καίγονται τέλεια με την κατανάλωση 300 mL. Κατά την καύση παράγονται 200 mL CO₂. Να βρεθεί ο μοριακός τύπος του υδρογονάνθρακα, αν οι όγκοι μετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες.

14. Μια ποσότητα αέριου υδρογονάνθρακα καίγεται τέλεια καταναλώνοντας πενταπλάσιο όγκο O₂ και δίνει τριπλάσιο όγκο CO₂ από τον όγκο του. Να βρεθεί ο μοριακός τύπος του υδρογονάνθρακα, αν οι όγκοι μετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες. 

15. Άκυκλος υδρογονάνθρακας με σχετική μοριακή μάζα 70, καίγεται τέλεια και δίνει 5,6 L CO₂ μετρημένα σε πρότυπες συνθήκες και 4,5 g H₂O.  α) Να βρεθεί ο μοριακός τύπος του υδρογονάνθρακα. β) Να γραφούν και να ονομασθούν οι δυνατοί συντακτικοί τύποι. 

16. Κατά την καύση υδρογονάνθρακα του τύπου C_vH_2v-2 παράγεται ίση μάζα νερού με τη μάζα του υδρογονάνθρακα. α) Να βρεθεί ο μοριακός του τύπος. β) Να γραφούν και να ονομασθούν οι δυνατοί συντακτικοί τύποι.

17.  7 g αλκενίου καίγονται πλήρως και δίνουν 9 g H₂O. Να βρεθεί ο μοριακός του τύπος.      

18. Κατά την καύση ορισμένης ποσότητας κορεσμένου υδρογονάνθρακα παράγονται

    180 g H₂O και 179,2 L CO₂ μετρημένα σε STP. Να βρεθούν:

        α) Ο μοριακός τύπος του υδρογονάνθρακα.

        β) Τα δυνατά συντακτικά ισομερή του.

        γ) Η ποσότητα σε g του υδρογονάνθρακα που κάηκε.

        δ) Ο όγκος σε stp του οξυγόνου που χρησιμοποιήθηκε για την καύση.

19. Κατά την πλήρη καύση ορισμένου όγκου υδρογονάνθρακα της σειράς των αλκενίων  παράγεται  πενταπλάσιος όγκος CO₂  . Να βρεθούν  οι δυνατοί συντακτικοί τύποι του αλκενίου.

20. Ένα gr υδρογονάνθρακα της σειράς του αιθινίου  καίγεται , το δε λαμβανόμενο νερό είναι ένα gr. Να βρεθεί ο μοριακός τύπος του υδρογονάνθρακα .

21. Ορισμένος όγκος ατμών κορεσμένης μονοσθενούς κετόνης καίγεται με την απαιτούμενη  ποσότητα αέρα , οπότε παράγεται τριπλάσιος όγκος H₂O . Ποιος ο  όγκος  του αέρα που χρησιμοποιήθηκε  αν ο όγκος της κετόνης ήταν  100 L  και ποιος ο συντακτικός τύπος της κετόνης.

22. Αέριος υδρογονάνθρακας καίγεται σε ορισμένη θερμοκρασία και πίεση και παρέχει CO₂ του οποίου ο όγκος είναι τριπλάσιος του όγκου του υδρογονάνθρακα που κάηκε και η μάζα του είναι τριπλάσια της μάζας του υδρογονάνθρακα. Ποιος ο συντακτικός τύπος του Η/C ;

23. Ορισμένος όγκος αερίου υδρογονάνθρακα καίγεται πλήρως και παρέχει τριπλάσιο όγκο CO₂ και διπλάσιο όγκο H₂O , μετρημένων στις ίδιες συνθήκες . Ποιος ο συντακτικός τύπος του Η/C ;

24. 5cm³ αερίου μίγματος αιθινίου και αλκανίου αναμιγνύονται με 20 cm³ Ο₂ .Τα αέρια προϊόντα  ψύχονται και απομένουν 17 cm³ αερίου το οποίο διαβιβάζεται από διάλυμα βάσης και απομένουν  8 cm³ αερίου . Να βρεθούν :

α)  ο όγκος κάθε συστατικού ,

β) ο συντακτικός τύπος του αλκανίου.

25. α. Να βρεθεί ο κορεσμένος υδρογονάνθρακας που περιέχει 16% κατά βάρος Η.

    β. Να βρείτε και να ονομάσετε τα δυνατά συντακτικά ισομερή του παραπάνω υδρογονάνθρακα.

    γ. Κατά την τέλεια καύση 2 mole του παραπάνω υδρογονάνθρακα πόσα g CO₂ και πόσα g H₂O  σχηματίζονται; Ποιος όγκος οξυγόνου σε STP χρησιμοποιήθηκε στην παραπάνω καύση;

26.    5 L αλκενίου , σε κατάλληλες συνθήκες , αναμείχθηκαν με 210 L αέρα.

Μετά την ανάφλεξη του μίγματος τα καυσαέρια του ψύχθηκαν και στη συνέχεια διοχετεύθηκαν σε υδατικό διάλυμα Ca(OH)₂ . Έτσι απέμεινε όγκος που περιείχε 4,5 L οξυγόνου.

Ποιος είναι ο μοριακός τύπος του αλκενίου, αν όλοι οι όγκοι μετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας;

27. Ισομοριακό μίγμα ατμών δύο υδρογονανθράκων απαιτεί για πλήρη καύση 42,5 φορές περισσότερο όγκο αέρα από τον όγκο του.

Το παραγόμενο  CO₂ έχει 5,5 φορές μεγαλύτερο όγκο από τον όγκο του αρχικού μίγματος . Αν κατά την καύση αυτή οι δύο υδρογονάνθρακες παρέχουν την ίδια ποσότητα  Η₂Ο  και οι όγκοι μετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες , να βρεθούν οι μοριακοί τύποι τους .

28. Μίγμα αιθινίου και αιθενίου καίγεται με οξυγόνο . Ο όγκος των προϊόντων , πριν την ψύξη τους , είναι κατά 300ml μικρότερος από τον όγκο του αρχικού μίγματος .

Μετά την ψύξη των προϊόντων παρατηρείται νέα μείωση του όγκου κατά 1400 ml. Στη συνέχεια τα προϊόντα αυτά διαβιβάζονται μέσα από διάλυμα βάσης , οπότε τελικά απομένουν 300ml αερίου. Αν όλοι οι όγκοι μετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες , να βρεθούν : α) ο όγκος του οξυγόνου που χρησιμοποιήθηκε στην καύση 

και β) η % κ.ο σύσταση του μίγματος των υδρογονανθράκων.  

29. Ορισμένος όγκος μίγματος ατμών μεθανόλης  και αιθανόλης  καίγεται πλήρως και παράγει το ίδιο ποσό CO₂  με εκείνο που παράγει ίσος όγκος , μετρημένος στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας , μίγματος μεθανίου και προπανίου του οποίου η κ.ο σύσταση είναι 25% προπάνιο και 75% μεθάνιο . Να υπολογίσετε την % κ.ο σύσταση του μίγματος των αλκοολών.