Горение и окисление алканов
Горение и теплота сгорания
Горение — радикальная цепная реакция с разветвлением: в её ходе образуются активные частицы \(\ce{O.}\), \(\ce{HO.}\) и \(\ce{HOO.}\), и каждая стадия может породить две новые цепи. Поэтому смесь метана с воздухом (5–15 % метана) взрывается от искры.
Теплота сгорания
Теплота сгорания метана 890 кДж/моль, этана 1560, пропана 2220, бутана 2877. Каждая группа \(\ce{CH2}\) добавляет около 650 кДж/моль. В расчёте на единицу массы метан — самое калорийное углеводородное топливо: 55,5 кДж/г против 50,4 у пропана, потому что в нём больше всего водорода на атом углерода.
Неполное сгорание
При недостатке кислорода углерод окисляется не до \(\ce{CO2}\), а до угарного газа или сажи: \(\ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}\), \(\ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}\). Чем больше доля углерода в веществе, тем легче образуется сажа: гексан горит коптящим пламенем, а метан — почти бесцветным.
edit_noteРазбор задачи: объём кислорода
Какой объём кислорода нужен для сжигания 3,0 л бутана (объёмы при одинаковых условиях)? \(\ce{2C4H10 + 13O2 -> 8CO2 + 10H2O}\): на 1 объём бутана — 6,5 объёма кислорода, то есть 19,5 л. Воздуха нужно в 5 раз больше (в нём около 21 % кислорода): примерно 93 л.
boltКоэффициент кислорода для алкана
Для \(\ce{C_nH_{2n+2}}\) на моль алкана нужно \((3n + 1)/2\) моль \(\ce{O2}\): метан — 2, этан — 3,5, пропан — 5, бутан — 6,5. Эту формулу проще запомнить, чем каждый раз уравнивать.
auto_awesomeПочему газ пахнет
Природный газ не имеет запаха. Чтобы утечку можно было почувствовать, в него добавляют небольшое количество одорантов — сернистых соединений, например этантиола, который человек чувствует в концентрации меньше одной части на миллиард.
Каталитическое окисление и синтез-газ
Метан — не только топливо, но и сырьё для химической промышленности. Его превращают в более ценные вещества несколькими способами.
Паровая конверсия. Метан с водяным паром на никеле при 800–900 °C даёт синтез-газ: \(\ce{CH4 + H2O ->[Ni] CO + 3H2}\). Реакция эндотермична, поэтому её ведут при высокой температуре. Синтез-газ — источник водорода для производства аммиака.
Синтез метанола. \(\ce{CO + 2H2 ->[Cu/ZnO, 250 ^\circ C] CH3OH}\) — основной способ получения метанола.
Синтез Фишера — Тропша. На кобальтовых или железных катализаторах синтез-газ превращается в смесь алканов и алкенов: \(\ce{nCO + (2n+1)H2 -> C_nH_{2n+2} + nH2O}\). Так получают синтетическое жидкое топливо.
Пиролиз до ацетилена. При быстром нагревании метана до 1500 °C и мгновенном охлаждении образуется ацетилен: \(\ce{2CH4 -> C2H2 + 3H2}\).
Окисление бутана. Бутан окисляют кислородом воздуха в растворе при 150–200 °C в присутствии солей кобальта и марганца; через гидропероксиды образуется уксусная кислота.
edit_noteРазбор задачи: водород из метана
Сколько водорода можно получить из 100 м³ метана паровой конверсией с последующей конверсией угарного газа (\(\ce{CO + H2O -> CO2 + H2}\))? Суммарно \(\ce{CH4 + 2H2O -> CO2 + 4H2}\): из 100 м³ метана — 400 м³ водорода.
boltСуммируйте стадии
Если процесс идёт в несколько стадий, сложите уравнения и сократите промежуточные вещества (\(\ce{CO}\) в примере выше). Итоговое уравнение сразу даёт соотношение исходных веществ и продуктов.
history_eduСинтетический бензин
Франц Фишер и Ханс Тропш разработали синтез углеводородов из синтез-газа в 1925 году. Метод использовали для получения топлива из угля в странах, лишённых нефти; сегодня его применяют для превращения природного газа в дизельное топливо.
Задачи на сгорание
Задачи на сгорание алканов решают по одному плану: записывают уравнение в общем виде, переходят к количествам вещества и составляют уравнения по данным задачи. Объёмы газов при одинаковых условиях относятся как количества вещества.
edit_noteРазбор задачи: состав смеси по объёму \(\ce{CO2}\)
Смесь метана и пропана объёмом 5,0 л сожгли и получили 11,0 л \(\ce{CO2}\) (объёмы при одинаковых условиях). Пусть метана \(x\) л, пропана \(y\) л. Тогда \(x + y = 5{,}0\) и \(x + 3y = 11{,}0\) (метан даёт 1 объём \(\ce{CO2}\), пропан — 3). Отсюда \(y = 3{,}0\) л, \(x = 2{,}0\) л: объёмная доля пропана 60 %.
edit_noteРазбор задачи: формула по продуктам
При сгорании 1,45 г алкана образовалось 2,24 л \(\ce{CO2}\) (н. у.). \(n(\ce{CO2}) = 0{,}100\) моль, масса углерода 1,20 г, водорода \(1{,}45 - 1{,}20 = 0{,}25\) г (0,25 моль). \(\ce{C : H = 0{,}1 : 0{,}25 = 2 : 5}\); для алкана \(\ce{C_nH_{2n+2}}\) это \(\ce{C4H10}\).
boltВода — не газ
При н. у. вода жидкая, и её объём в газовых расчётах не учитывают. Если в условии сказано «после приведения к нормальным условиям», объём газовой смеси после сгорания — это \(\ce{CO2}\) и избыток кислорода.
errorОтношение C : H — ещё не формула
Отношение \(\ce{C : H = 1 : 2}\) даёт любой алкен или циклоалкан, а у алканов отношение зависит от \(n\). Чтобы найти формулу однозначно, нужна молярная масса или указание на класс.
auto_awesomeСколько воздуха нужно газовой плите
На сгорание 1 м³ метана нужно 2 м³ кислорода, то есть около 9,5 м³ воздуха, в котором кислорода 21 % по объёму. Если воздуха не хватает, образуется угарный газ, поэтому газовые приборы нельзя ставить в плохо проветриваемых помещениях.
push_pinГлавное
При полном сгорании \(\ce{C_nH_{2n+2} + \frac{3n+1}{2} O2 -> nCO2 + (n+1)H2O}\); теплота сгорания растёт примерно на 650 кДж/моль на каждую группу \(\ce{CH2}\). При недостатке кислорода образуются угарный газ и сажа. Метан с водяным паром на никеле превращается в синтез-газ (\(\ce{CO + 3H2}\)), из которого получают метанол и углеводороды; при 1500 °C метан даёт ацетилен.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.