Arderea hidrocarburilor: oxigen și aer la BAC

La arderea completă a unei hidrocarburi, carbonul se regăsește în dioxid de carbon, iar hidrogenul în apă. Pentru BAC, ecuația corect egalată permite calculul oxigenului și al aerului necesar. Cea mai importantă distincție este între volumul de oxigen cerut de reacție și volumul de aer care îl conține.

Lecția se aplică variantei chimie organică și urmărește bilanțurile de substanță, nu căldura de ardere. Folosim modele cu ardere completă, gaze ideale când se cer volume și compoziție a aerului precizată explicit. Nu sunt descrise proceduri experimentale de ardere.

Ecuația generală și sensul coeficienților

Pentru o hidrocarbură CₓHᵧ, ecuația este CₓHᵧ + (x + y/4)O₂ → xCO₂ + (y/2)H₂O. Mai întâi egalezi carbonul, apoi hidrogenul și la final oxigenul. Coeficientul oxigenului rezultă din numărul atomilor O necesari în ambii produși.

Un mol de hidrocarbură cere x + y/4 moli de oxigen. Nu folosești x + y/2, deoarece oxigenul reactant este molecular, O₂. De exemplu, pentru etan C₂H₆ rezultă 3,5 moli O₂. Poți elimina fracția înmulțind toată ecuația cu doi: 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O.

Coeficienții exprimă rapoarte între cantități de substanță. Pentru gaze ideale comparate la aceeași temperatură și presiune, exprimă și rapoarte între volume. Nu compari direct un volum măsurat la o temperatură cu altul măsurat la alte condiții fără conversie.

Tabelul unor consumuri de oxigen

Hidrocarbură	Oxigen pentru un mol	Dioxid de carbon format
Metan, CH₄	Doi moli	Un mol
Etan, C₂H₆	Trei moli și jumătate	Doi moli
Etenă, C₂H₄	Trei moli	Doi moli
Acetilenă, C₂H₂	Doi moli și jumătate	Doi moli
Propan, C₃H₈	Cinci moli	Trei moli

Observă că hidrocarburi cu același număr de atomi de carbon pot cere cantități diferite de oxigen. Hidrogenul contribuie și el la consum. Compararea numai după numărul carbonilor este incompletă, chiar dacă volumul de CO₂ pe mol este același.

Exemplu rezolvat: oxigen și aer pentru propan

Se consideră 12 L de propan, iar toate volumele gazoase se raportează la aceeași temperatură și presiune. Aerul este modelat ca având 20% oxigen în volum, restul fiind inert. Reacția completă este C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O.

Volumul de oxigen necesar este de cinci ori volumul propanului, adică 60 L. Deoarece acești 60 L reprezintă numai 20% din aer, volumul de aer necesar este 60/0,20 = 300 L. Calculul nu este 60 înmulțit cu 0,20; acea operație ar calcula oxigenul conținut în 60 L de aer.

În modelul dat, aerul aduce și 240 L de gaze inerte. Se formează 36 L de CO₂, dacă acesta este raportat la aceleași condiții. Pentru apă trebuie precizată starea fizică înainte de a introduce un volum gazos în bilanțul final.

Ce înseamnă exces de aer?

Aerul teoretic este cantitatea care conține exact oxigenul cerut de ecuație. Un exces de 25% înseamnă că aerul introdus este de 1,25 ori cantitatea teoretică. În exemplul anterior, se introduc 375 L de aer, care conțin 75 L de oxigen și 300 L de gaze inerte.

Dacă arderea completă consumă cei 60 L de oxigen calculați, rămân 15 L de oxigen neconsumat. Excesul se raportează la necesarul teoretic, nu la cantitatea introdusă. Diferența dintre cele două baze de raportare este o sursă frecventă de rezultate apropiate, dar greșite.

După condensarea completă a apei, amestecul gazos uscat al acestui model conține CO₂, oxigenul rămas și gazele inerte. Volumul său este 36 + 15 + 300 = 351 L, toate volumele fiind exprimate la aceeași stare. Nu mai adaugi apa lichidă la volumul gazelor uscate.

Exemplu rezolvat: pornire de la masă

Se ard complet 4,4 g de propan pur. Cu masele atomice școlare C egal cu doisprezece și H egal cu unu, masa molară este 44 g/mol. Cantitatea de propan este 0,10 mol. Ecuația cere de cinci ori mai mulți moli de oxigen, deci 0,50 mol O₂.

Dacă enunțul dă volumul molar de 24 L/mol în condițiile considerate, oxigenul ocupă 12 L. Pentru aer cu 20% oxigen în volum, necesarul este 60 L. Volumul molar de 24 L/mol este o dată a problemei, nu o constantă universală aplicabilă oricărei temperaturi.

Masa oxigenului este 0,50 × 32 = 16 g. Se formează 0,30 mol CO₂ și 0,40 mol apă, adică 13,2 g și 7,2 g. Totalul produșilor este 20,4 g, egal cu 4,4 g propan plus 16 g oxigen. Verificarea masei validează întregul bilanț.

Amestec de hidrocarburi: aduni necesarele

Un amestec gazos conține 4 L de metan și 6 L de etenă, la aceleași condiții. Metanul cere 8 L de oxigen, iar etena 18 L. Necesarul total este 26 L. Nu aplici un coeficient mediu ales arbitrar volumului total de zece litri.

Poți construi un coeficient mediu numai după ponderarea cu fracțiile molare sau volumice ale amestecului: 0,4 × 2 + 0,6 × 3 = 2,6. Înmulțirea acestuia cu volumul total conduce la același rezultat. Metoda pe componente rămâne mai transparentă când amestecul are doar două substanțe.

Exerciții cu răspunsuri

1. Cât oxigen cere arderea completă a 5 L de acetilenă? Ecuația raportată la un mol cere 2,5 moli O₂. Pentru volume la aceleași condiții, necesarul este 12,5 L. Dacă folosești ecuația cu coeficienți întregi, raportul este cinci la doi, nu cinci la unu.

2. Ce volum de aer cu 21% oxigen conține 42 L O₂? Împarți la 0,21 și obții 200 L de aer. Nu înlocuiești procentul dat cu aproximația școlară 20%, deoarece enunțul a fixat deja compoziția.

3. Aerul teoretic este 100 L, iar excesul 10%. Cât se introduce? Se introduc 110 L. Cei zece litri suplimentari au aceeași compoziție ca aerul, deci nu reprezintă zece litri de oxigen pur.

4. De ce nu putem calcula mereu volumul final numai din ecuație? Trebuie cunoscute excesul de oxidant, compoziția aerului, temperatura, presiunea și dacă apa este vapori sau condensată. Ecuația stabilește cantitățile reacționate, nu toate condițiile măsurării.

Exersează aceste distincții în subiectele de BAC. Pentru consolidare, înțelegerea bazei unui procent previne folosirea mecanică a formulelor. Un profesor de chimie poate verifica dacă eroarea provine din ecuație, din procentul oxigenului sau din condițiile volumelor.

Întrebări frecvente

Aerul are mereu 20% oxigen în probleme?

Nu. Folosește valoarea precizată. Procentul de 20% este o simplificare întâlnită în exerciții, nu o permisiune de a ignora o valoare diferită din enunț.

Arderea incompletă se calculează cu aceeași ecuație?

Nu. Dacă apar CO sau carbon solid, distribuția produșilor se schimbă. Trebuie date suplimentare și o ecuație sau un sistem de ecuații potrivit.

Apa intră în volumul gazelor uscate?

Nu. Termenul „uscate” exclude vaporii de apă în modelul ideal al problemei. Pentru gaze umede trebuie discutată separat prezența apei în faza gazoasă.

Reper curricular

Arderea hidrocarburilor și calculele stoechiometrice sunt tratate în programa oficială istorică de chimie organică. Lecția nu presupune publicarea unei programe noi pentru o sesiune viitoare.