تفاعلات الاحتراق: النواتج والمعادلات في كيمياء HSC
تعلّم كيفية التعرف على تفاعلات الاحتراق، وتوقّع النواتج، وموازنة معادلات الاحتراق الكامل وغير الكامل. يتضمن أمثلة محلولة وأسئلة أصلية بأسلوب HSC مع الحلول.
يمكن لموقدَي بنسن استخدام الوقود نفسه مع إنتاج لهبين مختلفين جدًا. عند وجود تدفق جيد للهواء، يكون اللهب أزرق ونظيفًا. أما عند تقييد إمداد الأكسجين، فقد يصبح اللهب أصفر، وينتج السخام، ويتكوّن أول أكسيد الكربون السام.
قبل متابعة القراءة، توقّع ما الذي تغيّر كيميائيًا. الوقود هو نفسه، فلماذا لا تكون النواتج هي نفسها؟
المفتاح هو إمداد الأكسجين. فالاحتراق لا يقتصر على معرفة أن الوقود يتفاعل مع الأكسجين. بل عليك أيضًا أن تحدد ما إذا كانت كمية الأكسجين كافية لأكسدة الكربون الموجود في الوقود أكسدة كاملة.
01القرار الأول: هل هذا تفاعل احتراق؟
في منهج HSC، تعرّف على تفاعل الاحتراق عندما تتفاعل مادة مع الأكسجين، \(\ce{O2}\)، وتُطلق طاقة.
بالنسبة إلى أنواع الوقود القائمة على الكربون، غالبًا ما تبدو المتفاعلات على النحو الآتي:
\[ \ce{fuel + O2 -> products} \]
يحتوي الهيدروكربون على الكربون والهيدروجين فقط. ومن أمثلته الميثان، \(\ce{CH4}\)، والبروبان، \(\ce{C3H8}\)، والأوكتان، \(\ce{C8H18}\).
تحترق أيضًا الكحولات مثل الإيثانول، \(\ce{C2H5OH}\). وهي تحتوي بالفعل على الأكسجين، لكنها لا تزال تحتاج إلى \(\ce{O2}\) من الوسط المحيط.
يختلف الاحتراق عن مجرد وجود الأكسجين في موضع ما في المعادلة. إذ يجب أن يكون جزيء الأكسجين، \(\ce{O2}\)، متفاعلًا في عملية الاحتراق.
إذا كنت لا تزال تعمل على تعزيز ثقتك في حفظ الذرات وموازنة المعادلات، فراجع إعادة ترتيب الذرات في التفاعلات. تنطبق القاعدة نفسها على كل معادلة هنا: يمكن للذرات أن يُعاد ترتيبها، لكنها لا يمكن أن تظهر من العدم أو تختفي.
02فكّر في الأكسجين بوصفه المورد المحدود
تخيّل أن كل ذرة كربون تحاول مغادرة التفاعل مرتبطة بذرتَي أكسجين على هيئة \(\ce{CO2}\). وعادةً ما يغادر الهيدروجين مرتبطًا بالأكسجين في صورة ماء، \(\ce{H2O}\).
إذا وُجد ما يكفي من الأكسجين، يمكن أن يتأكسد الكربون بالكامل إلى ثاني أكسيد الكربون.
أما إذا كان الأكسجين شحيحًا، فقد يغادر بعض الكربون على هيئة أول أكسيد الكربون، \(\ce{CO}\)، أو حتى على هيئة كربون صلب، \(\ce{C}\)، يظهر في صورة سخام.
يشبه الأمر قليلًا توزيع المقاعد في حافلة صغيرة جدًا. في الترتيب المثالي، يحصل كل كربون على حصته الكاملة من الأكسجين. وإذا كانت حافلة الأكسجين ممتلئة بالفعل، فسيتعين على بعض الكربون أن يسافر بكمية أقل.
لكن التشبيه يتوقف عند هذا الحد. فالذرات لا تختار شركاءها، ويحتوي اللهب الحقيقي على العديد من الأنواع الوسيطة قصيرة العمر. والفكرة المفيدة ببساطة هي أن كمية الأكسجين المتاح تؤثر في النواتج النهائية.
03الاحتراق الكامل
بالنسبة إلى الهيدروكربون، ينتج عن الاحتراق الكامل:
- ثاني أكسيد الكربون، \(\ce{CO2}\)
- الماء، \(\ce{H2O}\)
إذن النمط هو:
\[ \ce{hydrocarbon + O2 -> CO2 + H2O} \]
تشير كلمة كامل إلى أن الكربون يتأكسد بالكامل إلى ثاني أكسيد الكربون. ولا تعني أنه يمكنك تجاوز موازنة المعادلة.
ترتيب موثوق للموازنة هو:
- وازن الكربون
- وازن الهيدروجين
- وازن الأكسجين أخيرًا
يأتي الأكسجين أخيرًا لأنه يظهر في كل من ثاني أكسيد الكربون والماء.
مثال محلول: الاحتراق الكامل للإيثان
اكتب معادلة موزونة للاحتراق الكامل للإيثان، \(\ce{C2H6}\).
الخطوة 1
ينتج عن الاحتراق الكامل ثاني أكسيد الكربون والماء.
\[ \ce{C2H6 + O2 -> CO2 + H2O} \]
الخطوة 2
توجد ذرتا كربون في \(\ce{C2H6}\)، لذا ضع معاملًا مقداره 2 قبل \(\ce{CO2}\).
\[ \ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + H2O} \]
الخطوة 3
توجد 6 ذرات هيدروجين في الإيثان. ويحتوي كل جزيء ماء على ذرتَي هيدروجين، لذا نحتاج إلى 3 جزيئات ماء.
\[ \ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]
الخطوة 4
تحتوي النواتج الآن على:
- \(2 \times 2 = 4\) ذرات أكسجين في \(\ce{2CO2}\)
- \(3 \times 1 = 3\) ذرات أكسجين في \(\ce{3H2O}\)
أي 7 ذرات أكسجين إجمالًا.
وبما أن كل جزيء \(\ce{O2}\) يحتوي على ذرتَي أكسجين، فنحتاج في البداية إلى \(\frac{7}{2}\ce{O2}\):
\[ \ce{C2H6 + \frac{7}{2}O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]
الخطوة 5
اضرب كل معامل في 2.
\[ \boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}} \]
تعني هذه المعادلة أن مولين من الإيثان يحتاجان إلى 7 مولات من الأكسجين للاحتراق الكامل.
04لماذا يجب ألا تغيّر أبدًا رقمًا سفليًا لموازنة الاحتراق
افترض أنك تحتاج إلى مزيد من الأكسجين في جهة النواتج. لا يمكنك تحويل \(\ce{CO2}\) إلى \(\ce{CO3}\).
لن تكون هذه موازنة. بل ستكون قد غيّرت ثاني أكسيد الكربون إلى صيغة كيميائية مختلفة.
غيّر المعاملات فقط، أي الأعداد الموضوعة أمام الصيغ.
على سبيل المثال:
\[ \ce{2CO2} \]
تعني جزيئين من ثاني أكسيد الكربون، أو مولين من ثاني أكسيد الكربون.
أما:
\[ \ce{CO3} \]
فستصف نسبة مختلفة تمامًا بين الذرات.
وهذا أحد أكثر أخطاء الموازنة شيوعًا، لأن تغيير الرقم السفلي قد يجعل عدد الذرات يبدو صحيحًا بينما يجعل الكيمياء نفسها خاطئة.
05الاحتراق غير الكامل
عُد الآن إلى اللهب الأصفر الدخاني.
إذا لم توجد كمية كافية من الأكسجين لتحويل كل الكربون إلى \(\ce{CO2}\)، يكون الاحتراق غير كامل.
بالنسبة إلى التفاعلات المبسطة المستخدمة على مستوى HSC، فإن النواتج المهمة المحتوية على الكربون هي:
| ظروف الأكسجين | الناتج المحتمل المحتوي على الكربون | الناتج الرئيسي الآخر |
|---|---|---|
| أكسجين كافٍ | \(\ce{CO2}\) | \(\ce{H2O}\) |
| أكسجين محدود | \(\ce{CO}\) | \(\ce{H2O}\) |
| أكسجين مقيّد بشدة | \(\ce{C}\) على هيئة سخام | \(\ce{H2O}\) |
يمكن أن تحتوي ألسنة اللهب الحقيقية على خليط من \(\ce{CO2}\)، و\(\ce{CO}\)، والسخام، والوقود غير المحترق، وأنواع أخرى. وعادةً ما تعطيك معادلة الامتحان معلومات كافية لاستخدام مجموعة مبسطة من النواتج.
وهذا يؤدي إلى قاعدة مهمة:
عبارة “الاحتراق غير الكامل” وحدها لا تحدد دائمًا معادلة واحدة فريدة.
إذا نص السؤال على تكوّن أول أكسيد الكربون، فاستخدم \(\ce{CO}\). وإذا نص على تكوّن السخام أو الكربون، فاستخدم \(\ce{C}\). وإذا أظهرت الأدلة وجود خليط، فقد تحتاج إلى أخذ أكثر من ناتج واحد يحتوي على الكربون في الحسبان.
مثال محلول: الاحتراق غير الكامل للإيثانول إلى أول أكسيد الكربون
يحترق الإيثانول، \(\ce{C2H5OH}\)، مع إمداد محدود من الأكسجين. افترض أن أول أكسيد الكربون والماء هما الناتجان الوحيدان. اكتب المعادلة الموزونة.
الخطوة 1
\[ \ce{C2H5OH + O2 -> CO + H2O} \]
الخطوة 2
يحتوي الإيثانول على ذرتَي كربون، لذا كوّن جزيئين من أول أكسيد الكربون.
\[ \ce{C2H5OH + O2 -> 2CO + H2O} \]
الخطوة 3
يحتوي \(\ce{C2H5OH}\) على 6 ذرات هيدروجين إجمالًا. لذلك نحتاج إلى 3 جزيئات ماء.
\[ \ce{C2H5OH + O2 -> 2CO + 3H2O} \]
الخطوة 4
تحتوي النواتج على:
- ذرتَي أكسجين في \(\ce{2CO}\)
- 3 ذرات أكسجين في \(\ce{3H2O}\)
إجمالي ذرات الأكسجين في الطرف الأيمن: \(5\).
لكن الإيثانول يحتوي بالفعل على ذرة أكسجين واحدة. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى 4 ذرات أكسجين إضافية فقط من \(\ce{O2}\).
يوفر جزيئان من \(\ce{O2}\) هذه الذرات الأربع.
\[ \boxed{\ce{C2H5OH + 2O2 -> 2CO + 3H2O}} \]
التفصيل المهم هو الأكسجين الموجود أصلًا في الإيثانول. فمعاملة الإيثانول كما لو كان هيدروكربونًا ونسيان ذرة الأكسجين هذه يؤدي إلى معامل خاطئ.
06ماذا لو تكوّن الكربون الصلب؟
افترض أن الميثان يحترق مع إمداد شديد التقييد من الأكسجين، وأن النواتج المبسطة هي الكربون والماء.
ابدأ بـ:
\[ \ce{CH4 + O2 -> C + H2O} \]
الكربون موزون بالفعل.
تتطلب ذرات الهيدروجين الأربع جزيئَي ماء:
\[ \ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O} \]
يحتوي جزيئا الماء على ذرتَي أكسجين، لذا يلزم جزيء واحد من \(\ce{O2}\):
\[ \boxed{\ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}} \]
يمثل الكربون الصلب السخام في هذا النموذج المبسط.
لاحظ أن هذا التفاعل يستخدم أكسجينًا أقل بكثير من الاحتراق الكامل:
\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]
وهذه المقارنة هي جوهر فكرة الاحتراق غير الكامل. فبسبب توافر كمية أقل من الأكسجين، ينتهي الكربون في صورة أقل تأكسدًا.
07طريقة سريعة لاتخاذ القرار في أسئلة الاحتراق
عندما ترى معادلة احتراق، لا تبدأ بالموازنة فورًا.
حدد أولًا النواتج المبررة كيميائيًا.
| ما الذي يخبرك به السؤال | ما الذي ينبغي أن تفعله |
|---|---|
| الاحتراق الكامل لهيدروكربون | اكتب \(\ce{CO2}\) و\(\ce{H2O}\) |
| الاحتراق الكامل لكحول | اكتب \(\ce{CO2}\) و\(\ce{H2O}\)، ثم خذ الأكسجين الموجود أصلًا في الكحول في الحسبان عند الموازنة |
| احتراق غير كامل ينتج أول أكسيد الكربون | اكتب \(\ce{CO}\) و\(\ce{H2O}\) |
| احتراق غير كامل ينتج السخام | اكتب \(\ce{C}\) و\(\ce{H2O}\) |
| لا يقول سوى “احتراق غير كامل” | تحقّق مما إذا كان السؤال يقدم دليلًا على \(\ce{CO}\)، أو السخام، أو خليط منهما |
| النواتج معطاة بالفعل | لا تستبدلها بالنواتج التي توقعتها. وازن المعادلة المعطاة فعليًا |
بعد تحديد النواتج، وازن الكربون، ثم الهيدروجين، ثم الأكسجين.
هذا الترتيب طريقة عمل، وليس قانونًا من قوانين الطبيعة. وهو ببساطة فعّال لأن الأكسجين يظهر غالبًا في عدة نواتج.
08اختصار مفيد للهيدروكربونات
بالنسبة إلى هيدروكربون صيغته \(\ce{C_xH_y}\)، يمكن تمثيل الاحتراق الكامل كما يأتي:
\[ \ce{C_xH_y + (x + \frac{y}{4})O2 -> xCO2 + \frac{y}{2}H2O} \]
حيث:
- \(x\) هو عدد ذرات الكربون في جزيء هيدروكربون واحد
- \(y\) هو عدد ذرات الهيدروجين
تأتي الصيغة مباشرة من حفظ الذرات.
توجد \(x\) ذرة كربون، لذا تحتاج إلى \(x\ce{CO2}\).
وتوجد \(y\) ذرة هيدروجين، لذا تحتاج إلى \(\frac{y}{2}\ce{H2O}\).
وتحدد هذه النواتج كمية الأكسجين المطلوبة.
يفيد هذا في التحقق من عملك، لكنه ليس بديلًا عن فهم عملية الموازنة. كما أنه ينطبق على الهيدروكربونات فقط. فلا تستخدمه دون تعديل مع أنواع الوقود المحتوية على الأكسجين مثل الإيثانول.
09الاحتراق ليس هو نفسه تفاعل الاتحاد
يمكن وصف تفاعل مثل:
\[ \ce{2Mg + O2 -> 2MgO} \]
بأنه احتراق لأن المغنيسيوم يحترق في الأكسجين.
كما يمكن أن يطابق نمط تفاعل الاتحاد لأن متفاعلين يُكوِّنان ناتجًا واحدًا.
يمكن أن تتداخل تصنيفات التفاعلات. وتعتمد التسمية على الخاصية التي تناقشها في التفاعل. وإذا كنت بحاجة إلى مقارنة الأنماط، فراجع تفاعلات الاتحاد: توقّع النواتج وموازنة المعادلات.
10الفكرة الخاطئة التي يجب الانتباه إليها
يرى طالب عبارة “الاحتراق غير الكامل للبروبان” ويكتب فورًا:
\[ \ce{2C3H8 + 7O2 -> 6CO + 8H2O} \]
المعادلة موزونة، وهي تمثل بالفعل أحد تفاعلات الاحتراق غير الكامل المبسطة الممكنة.
لكن هل حُدد فعلًا أن أول أكسيد الكربون يتكوّن؟
إذا لم يكن كذلك، فالمعادلة ليست محددة بشكل فريد. فقد ينتج البروبان أيضًا السخام عند تقييد الأكسجين بدرجة أشد، أو خليطًا من \(\ce{CO2}\) و\(\ce{CO}\).
ولهذا يأتي توقّع النواتج قبل الموازنة.
فقد تكون المعادلة موزونة تمامًا، ومع ذلك تجيب عن السؤال الكيميائي الخطأ.
11الأسئلة والحلول
السؤال 1
يكتب طالب المعادلة الآتية للاحتراق الكامل للبروبان:
\[ \ce{C3H8 + 4O2 -> 3CO2 + 4H2O} \]
هل المعادلة موزونة؟ إذا لم تكن كذلك، فصححها.
الحل 1
لا. المعادلة الصحيحة هي \(\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}\).
الكربون والهيدروجين موزونان بالفعل:
- الكربون: \(3\) ذرات في كل طرف
- الهيدروجين: \(8\) ذرات في كل طرف
احسب الآن الأكسجين في جهة النواتج.
يحتوي \(\ce{3CO2}\) على \(3 \times 2 = 6\) ذرات أكسجين.
ويحتوي \(\ce{4H2O}\) على \(4 \times 1 = 4\) ذرات أكسجين.
إذن تحتوي النواتج على:
\[ 6 + 4 = 10 \text{ ذرات أكسجين} \]
يحتوي كل جزيء \(\ce{O2}\) على ذرتَي أكسجين، لذا:
\[ \frac{10}{2}=5 \]
وبالتالي:
\[ \boxed{\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}} \]
كانت المعادلة الأصلية تحتوي على 8 ذرات أكسجين فقط في جهة المتفاعلات، ولذلك لم تحفظ عدد ذرات الأكسجين.
السؤال 2
يخضع الميثانول، \(\ce{CH3OH}\)، للاحتراق الكامل. توقّع النواتج واكتب معادلة موزونة.
الحل 2
الناتجان هما ثاني أكسيد الكربون والماء، والمعادلة الموزونة هي \(\ce{2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O}\).
ابدأ بنواتج الاحتراق الكامل:
\[ \ce{CH3OH + O2 -> CO2 + H2O} \]
يحتوي جزيء واحد من الميثانول على ذرة كربون واحدة و4 ذرات هيدروجين، لذا:
\[ \ce{CH3OH + O2 -> CO2 + 2H2O} \]
تحتوي النواتج على 4 ذرات أكسجين إجمالًا:
- 2 في \(\ce{CO2}\)
- 2 في \(\ce{2H2O}\)
يوفر الميثانول بالفعل ذرة أكسجين واحدة، لذا نحتاج إلى 3 ذرات أكسجين إضافية من \(\ce{O2}\):
\[ \ce{CH3OH + \frac{3}{2}O2 -> CO2 + 2H2O} \]
اضرب كل معامل في 2:
\[ \boxed{\ce{2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O}} \]
المأزق الرئيسي هو نسيان ذرة الأكسجين الموجودة أصلًا في \(\ce{CH3OH}\).
السؤال 3
يخضع البيوتان، \(\ce{C4H10}\)، للاحتراق غير الكامل. ويُظهر التحليل أن أول أكسيد الكربون هو الناتج الوحيد المحتوي على الكربون. اكتب معادلة موزونة.
الحل 3
المعادلة الموزونة هي \(\ce{2C4H10 + 9O2 -> 8CO + 10H2O}\).
بما أن أول أكسيد الكربون محدد، فاكتب:
\[ \ce{C4H10 + O2 -> CO + H2O} \]
وازن ذرات الكربون الأربع:
\[ \ce{C4H10 + O2 -> 4CO + H2O} \]
وازن ذرات الهيدروجين العشر:
\[ \ce{C4H10 + O2 -> 4CO + 5H2O} \]
تحتوي النواتج الآن على:
\[ 4 + 5 = 9 \text{ ذرات أكسجين} \]
وهذا يتطلب \(\frac{9}{2}\ce{O2}\):
\[ \ce{C4H10 + \frac{9}{2}O2 -> 4CO + 5H2O} \]
اضرب كل معامل في 2:
\[ \boxed{\ce{2C4H10 + 9O2 -> 8CO + 10H2O}} \]
تستخدم المعادلة أكسجينًا أقل من الاحتراق الكامل لأن الكربون يُكوّن \(\ce{CO}\) بدلًا من أن يتأكسد بالكامل إلى \(\ce{CO2}\).
السؤال 4
ينص سؤال فقط على أن البنتان، \(\ce{C5H12}\)، يخضع للاحتراق غير الكامل.
يكتب طالب:
\[ \ce{2C5H12 + 11O2 -> 10CO + 12H2O} \]
هل هذه هي المعادلة الموزونة الوحيدة الممكنة للاحتراق غير الكامل؟ فسّر إجابتك وقدّم احتمالًا مبسطًا آخر.
الحل 4
لا. معادلة الطالب معادلة مبسطة صحيحة للاحتراق غير الكامل، لكنها ليست الاحتمال الوحيد.
يعني الاحتراق غير الكامل عدم وجود كمية كافية من الأكسجين لكي يتأكسد كل الكربون بالكامل إلى \(\ce{CO2}\). واعتمادًا على الظروف، قد يتكوّن أول أكسيد الكربون، أو الكربون الصلب، أو خليط من النواتج.
على سبيل المثال، إذا نص السؤال على تكوّن الكربون الصلب، فإن إحدى المعادلات المبسطة هي:
\[ \ce{C5H12 + O2 -> C + H2O} \]
وازن الكربون والهيدروجين:
\[ \ce{C5H12 + O2 -> 5C + 6H2O} \]
تحتوي جزيئات الماء الستة على 6 ذرات أكسجين، مما يتطلب 3 جزيئات أكسجين:
\[ \boxed{\ce{C5H12 + 3O2 -> 5C + 6H2O}} \]
تصف كل من هذه المعادلة ومعادلة أول أكسيد الكربون التي كتبها الطالب احتراقًا غير كامل تحت افتراضات مبسطة.
المأزق هو افتراض أن عبارة الاحتراق غير الكامل تعني تلقائيًا أول أكسيد الكربون فقط. إذ نحتاج إلى مزيد من المعلومات عن النواتج للحصول على معادلة فريدة.
السؤال 5
يحتوي وعاءان مغلقان في البداية على الكمية نفسها من البروبان.
بعد الاشتعال، يحتوي الوعاء A على ثاني أكسيد الكربون والماء فقط. ولا يبقى فيه بروبان أو أكسجين.
ويحتوي الوعاء B على الماء، وثاني أكسيد الكربون، وأول أكسيد الكربون، وبعض البروبان غير المتفاعل.
يدّعي طالب أن الوعاء A لا بد أنه كان يحتوي في البداية على فائض من الأكسجين لأن الاحتراق فيه كان كاملًا.
قيّم هذا الادعاء.
الحل 5
الادعاء غير صحيح. كان الوعاء A يحتاج إلى كمية كافية من الأكسجين للاحتراق الكامل، لكن المعلومات لا تُظهر أن الأكسجين كان فائضًا.
الاحتراق الكامل للبروبان هو:
\[ \ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O} \]
إذن النسبة الستوكيومترية هي:
\[ 1\text{ مول }\ce{C3H8}:5\text{ مول }\ce{O2} \]
إذا بدأ الوعاء A بخمسة مولات بالضبط من الأكسجين لكل مول من البروبان، فيمكن أن يُستهلك كلا المتفاعلين بالكامل، فلا يتبقى سوى ثاني أكسيد الكربون والماء.
وهذا يتوافق مع الملاحظة التي تفيد بعدم بقاء بروبان أو أكسجين.
يعني فائض الأكسجين أن كمية الأكسجين المزوّدة أكبر من الكمية التي يحتاج إليها التفاعل. وإذا بقي هذا الفائض بعد التفاعل، فسيظهر الأكسجين ضمن المواد النهائية.
كان الوعاء B يحتوي على كمية غير كافية من الأكسجين المتاح للاحتراق الكامل. ولذلك تكوّن بعض الكربون على هيئة \(\ce{CO}\) بدلًا من أن يتكوّن \(\ce{CO2}\) فقط، وبقي بعض البروبان دون تفاعل.
الفكرة الخاطئة هي اعتبار “الاحتراق الكامل” و”فائض الأكسجين” فكرتين متطابقتين. فالاحتراق الكامل يحتاج إلى أكسجين كافٍ لأكسدة الوقود الذي يتفاعل أكسدة كاملة. ويمكن أن تكون الكمية الستوكيومترية الدقيقة كافية.
السؤال 6
يتفاعل مول واحد من البيوتان، \(\ce{C4H10}\)، مع \(5.50\) مول بالضبط من \(\ce{O2}\).
افترض أن البيوتان كله يتفاعل وأن النواتج الوحيدة هي \(\ce{CO2}\)، و\(\ce{CO}\)، و\(\ce{H2O}\).
حدد كمية \(\ce{CO2}\) و\(\ce{CO}\) الناتجة، بوحدة المول.
الحل 6
ينتج التفاعل \(2.00\) مول من \(\ce{CO2}\) و\(2.00\) مول من \(\ce{CO}\).
ابدأ بالهيدروجين.
يحتوي مول واحد من \(\ce{C4H10}\) على 10 مولات من ذرات الهيدروجين. وتكوّن هذه:
\[ \frac{10}{2}=5.00\text{ مول }\ce{H2O} \]
إذن ينتج 5.00 مولات من الماء.
تحتوي المولات الأصلية البالغ عددها \(5.50\) من \(\ce{O2}\) على:
\[ 5.50 \times 2 = 11.0\text{ مول من ذرات الأكسجين} \]
يستخدم الماء 5.00 مولات من ذرات الأكسجين، فيتبقى:
\[ 11.0-5.00=6.00\text{ مول من ذرات الأكسجين} \]
للنواتج المحتوية على الكربون.
لتكن \(a\) عدد مولات \(\ce{CO2}\)، ولتكن \(b\) عدد مولات \(\ce{CO}\).
يوجد 4 مولات من ذرات الكربون من مول واحد من البيوتان، لذا:
\[ a+b=4 \]
ويجب أن تحتوي أكاسيد الكربون على المولات الستة المتبقية من ذرات الأكسجين:
\[ 2a+b=6 \]
اطرح المعادلة الأولى من الثانية:
\[ (2a+b)-(a+b)=6-4 \]
إذن:
\[ a=2 \]
ثم:
\[ b=4-2=2 \]
وبالتالي:
\[ \boxed{2.00\text{ مول }\ce{CO2}} \]
و
\[ \boxed{2.00\text{ مول }\ce{CO}} \]
ومعادلة موزونة تمثل النسبة نفسها هي:
\[ \boxed{\ce{2C4H10 + 11O2 -> 4CO2 + 4CO + 10H2O}} \]
الفكرة المهمة هي أن الاحتراق غير الكامل لا يلزم أن ينتج صورة واحدة فقط من صور الكربون. فعندما تقع كمية الأكسجين المتاحة بين الكميات المطلوبة لمجموعات مختلفة من النواتج المثالية، يمكن لخليط من \(\ce{CO2}\) و\(\ce{CO}\) أن يحقق حفظ كل من الكربون والأكسجين.
بمجرد أن تتمكن من اختيار نواتج الاحتراق الصحيحة قبل الموازنة، تكون الخطوة المفيدة التالية هي ربط هذه المعادلات بالحسابات الستوكيومترية. فالمعادلة الموزونة للاحتراق لا تقتصر على حفظ الذرات. إذ تخبرك معاملاتها بنسب المولات اللازمة لحساب متطلبات الأكسجين، واستهلاك الوقود، وكميات النواتج المتكوّنة.