Spalanie całkowite i niecałkowite

To nowa kuchenka turystyczna Michała. Wykorzystajmy ją do eksperymentu! Otwórzmy zawór gazu, aby mógł on przepłynąć z butli gazowej do palnika. Na kuchence nie ma jeszcze żadnego płomienia. Weźmy jakieś źródło ognia, na przykład palącą się zapałkę i zbliżmy ją do palnika.

Pojawił się ogień! Ale jeśli za pomocą klosza przykryjemy kuchenkę turystyczną i odetniemy do niej dopływ powietrza, płomień zgaśnie. I jeszcze jedna rzecz: podnieśmy klosz, zakręćmy zawór kuchenki i zbliżmy do palnika kolejną zapaloną zapałkę. Tym razem płomień nie pojawił się! Ogień potrzebuje trzech rzeczy: ciepła, aby pojawić się i trwale płonąć, paliwa, które może się spalać oraz tlenu zawartego w powietrzu.

Jeśli usuniemy jedną z tych trzech rzeczy, płomień gaśnie. Dlaczego? Ogień, lub inaczej palenie się to reakcja chemiczna, która nazywana jest spalaniem Tak jak w przypadku każdej reakcji chemicznej także i do spalania potrzeba substancji, które mogą wziąć udział w reakcji, czyli substratów. Potrzeba także odpowiednich warunków, aby spalanie mogło nastąpić, i w jego wyniku powstają nowe produkty. W naszym eksperymencie substratem jest paliwo, a dokładnie metan.

Gdy dostarczona jest wystarczająca ilość ciepła, aby metan osiągnął temperaturę zapłonu, metan zaczyna reagować z tlenem w powietrzu. Spalanie jest gwałtowną reakcją utleniania, w wyniku której powstają produkty bogate w tlen, na przykład tlenki. Jeśli tlenu z którym metan może reagować jest bardzo dużo, produktami spalania metanu są dwutlenek węgla i woda. Równanie chemiczne tej reakcji wygląda następująco: jedna cząsteczka metanu zawierająca jeden atom węgla i cztery atomy wodoru reaguje z dwoma cząsteczkami tlenu, gdzie każda z nich zbudowana jest z dwóch atomów tlenu w wyniku czego powstaje jedna cząsteczka dwutlenku węgla, która zbudowana jest z jednego atomu węgla i dwóch atomów tlenu oraz dwie cząsteczki wody, gdzie każda posiada dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Jest to przykład spalania całkowitego, które zachodzi przy dużej ilości tlenu.

Co dzieje się, jeśli nie ma wystarczającej ilości tlenu, tak jak gdy przykryliśmy kuchenkę turystyczną kloszem? Gdy tlenu jest zbyt mało, aby każda cząsteczka metanu weszła w reakcję z dwoma cząsteczkami tlenu, nie powstanie już dwutlenek węgla oraz woda. Dochodzi wtedy do spalania niecałkowitego. Powiedzmy, że tlenu jest dokładnie tyle, aby każda z cząsteczek metanu zareagowała z trzema atomami tlenu, czyli z półtora cząsteczki tlenu. W równaniu reakcji chemicznej nie możemy zapisać pół cząsteczki, więc podwójmy ilość obu substratów: dwie cząsteczki metanu reagują z trzema cząsteczkami tlenu.

To dwa atomy węgla, osiem atomów wodoru i sześć atomów tlenu, które mogą się ze sobą połączyć. Każdy z czterech atomów tlenu łączy się z dwoma atomami wodoru, tworząc cztery cząsteczki wody. W ten sposób pozostają dwa atomy węgla i dwa atomy tlenu. Każdy atom węgla łączy się z jednym atomem tlenu, tworząc dwie cząsteczki tlenku węgla. A co jeśli dla każdej cząsteczki metanu dostępna będzie tylko jedna cząsteczka tlenu?

Wtedy wodór nadal połączy się z tlenem, aby stworzyć cząsteczkę wody, ale nie pozostanie już żaden tlen, który mógłby połączyć się z atomem węgla, aby stworzyć tlenek! To także spalanie niecałkowite. Jego produktem jest woda i węgiel, który osadza się w postaci sadzy. Zarówno w trakcie spalania całkowitego jak i niecałkowitego wytwarzana jest energia w formie ciepła i światła. W trakcie spalania całkowitego powstaje jej więcej niż w spalaniu niecałkowitym.

Ciepło powstałe w reakcji sprawia, że spalanie może kontynuować. Spalanie to reakcja chemiczna, która inicjowana jest przez ciepło, w trakcie której dana substancja, czyli paliwo, reaguje z tlenem. Jest to gwałtowna reakcja utleniania zachodząca przy wysokiej temperaturze, w wyniku której uwalniana jest energia w formie ciepła i światła. Paliwo ulega całkowitemu spalaniu, jeśli dostęp do tlenu jest duży. Paliwo ulega niecałkowitemu spalaniu, jeśli dostęp to tlenu jest niewystarczający.