Phản ứng cháy: Sản phẩm và phương trình cho Hóa học HSC
Tìm hiểu cách nhận biết phản ứng cháy, dự đoán sản phẩm và cân bằng phương trình cho sự cháy hoàn toàn và không hoàn toàn. Bao gồm ví dụ có lời giải và câu hỏi theo phong cách HSC kèm đáp án.
Hai đèn Bunsen có thể sử dụng cùng một nhiên liệu nhưng tạo ra những ngọn lửa rất khác nhau. Khi không khí lưu thông tốt, ngọn lửa có màu xanh và cháy sạch. Hạn chế nguồn cung cấp oxi, ngọn lửa có thể chuyển sang màu vàng, tạo muội than và hình thành khí cacbon monoxit độc hại.
Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán xem điều gì đã thay đổi về mặt hóa học. Nhiên liệu vẫn như nhau, vậy tại sao sản phẩm lại không giống nhau?
Yếu tố then chốt là lượng oxi được cung cấp. Phản ứng cháy không chỉ là biết rằng nhiên liệu phản ứng với oxi. Bạn còn phải xác định liệu có đủ oxi để cacbon trong nhiên liệu bị oxi hóa hoàn toàn hay không.
01Quyết định đầu tiên: đây có phải là phản ứng cháy không?
Trong chương trình HSC, hãy nhận biết phản ứng cháy khi một chất phản ứng với oxi, \(\ce{O2}\), và giải phóng năng lượng.
Đối với nhiên liệu chứa cacbon, các chất phản ứng thường có dạng:
\[ \ce{\text{nhiên liệu} + O2 -> \text{sản phẩm}} \]
Hiđrocacbon chỉ chứa cacbon và hiđro. Metan, \(\ce{CH4}\), propan, \(\ce{C3H8}\), và octan, \(\ce{C8H18}\), là các ví dụ.
Các ancol như etanol, \(\ce{C2H5OH}\), cũng cháy. Chúng đã chứa oxi, nhưng vẫn cần \(\ce{O2}\) từ môi trường xung quanh.
Phản ứng cháy khác với việc chỉ đơn giản có oxi xuất hiện ở đâu đó trong một phương trình. Phân tử oxi, \(\ce{O2}\), phải là một chất phản ứng trong quá trình cháy.
Nếu bạn vẫn đang củng cố sự tự tin về định luật bảo toàn nguyên tử và cân bằng phương trình, hãy xem lại sự sắp xếp lại các nguyên tử trong phản ứng. Cùng một quy tắc chi phối mọi phương trình ở đây: các nguyên tử có thể được sắp xếp lại, nhưng chúng không thể tự xuất hiện hoặc biến mất.
02Hãy xem oxi như nguồn tài nguyên giới hạn
Hãy hình dung mỗi nguyên tử cacbon đều cố gắng rời khỏi phản ứng khi liên kết với hai nguyên tử oxi dưới dạng \(\ce{CO2}\). Hiđro thường rời khỏi phản ứng khi liên kết với oxi dưới dạng nước, \(\ce{H2O}\).
Nếu có đủ oxi, cacbon có thể bị oxi hóa hoàn toàn thành cacbon đioxit.
Nếu oxi khan hiếm, một phần cacbon có thể tạo thành cacbon monoxit, \(\ce{CO}\), hoặc thậm chí cacbon rắn, \(\ce{C}\), xuất hiện dưới dạng muội than.
Điều này hơi giống việc phân chỗ ngồi trên một chiếc xe buýt rất nhỏ. Trong cách sắp xếp lý tưởng, mỗi cacbon nhận đủ phần oxi của mình. Nếu “xe buýt oxi” đã kín chỗ, một số cacbon phải đi với ít oxi hơn.
Phép so sánh chỉ có ý nghĩa đến đó. Các nguyên tử không tự chọn nguyên tử để liên kết, và một ngọn lửa thực tế chứa nhiều tiểu phân trung gian tồn tại trong thời gian ngắn. Ý tưởng hữu ích ở đây đơn giản là lượng oxi có sẵn ảnh hưởng đến các sản phẩm cuối cùng.
03Sự cháy hoàn toàn
Đối với một hiđrocacbon, sự cháy hoàn toàn tạo ra:
- cacbon đioxit, \(\ce{CO2}\)
- nước, \(\ce{H2O}\)
Vì vậy, dạng tổng quát là:
\[ \ce{\text{hiđrocacbon} + O2 -> CO2 + H2O} \]
Từ hoàn toàn nói đến việc cacbon bị oxi hóa hoàn toàn thành cacbon đioxit. Điều đó không có nghĩa là bạn có thể bỏ qua việc cân bằng phương trình.
Một thứ tự cân bằng đáng tin cậy là:
- cân bằng cacbon
- cân bằng hiđro
- cân bằng oxi sau cùng
Oxi được cân bằng sau cùng vì nó xuất hiện trong cả cacbon đioxit và nước.
Ví dụ có lời giải: Sự cháy hoàn toàn của etan
Viết phương trình cân bằng cho sự cháy hoàn toàn của etan, \(\ce{C2H6}\).
Bước 1
Sự cháy hoàn toàn tạo ra cacbon đioxit và nước.
\[ \ce{C2H6 + O2 -> CO2 + H2O} \]
Bước 2
Có 2 nguyên tử cacbon trong \(\ce{C2H6}\), vì vậy đặt hệ số 2 trước \(\ce{CO2}\).
\[ \ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + H2O} \]
Bước 3
Có 6 nguyên tử hiđro trong etan. Mỗi phân tử nước chứa 2 nguyên tử hiđro, vì vậy cần 3 phân tử nước.
\[ \ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]
Bước 4
Các sản phẩm hiện chứa:
- \(2 \times 2 = 4\) nguyên tử oxi trong \(\ce{2CO2}\)
- \(3 \times 1 = 3\) nguyên tử oxi trong \(\ce{3H2O}\)
Tổng cộng có 7 nguyên tử oxi.
Vì mỗi phân tử \(\ce{O2}\) chứa 2 nguyên tử oxi, ban đầu ta cần \(\frac{7}{2}\ce{O2}\):
\[ \ce{C2H6 + \frac{7}{2}O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]
Bước 5
Nhân mọi hệ số với 2.
\[ \boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}} \]
Phương trình này cho biết 2 mol etan cần 7 mol oxi để cháy hoàn toàn.
04Tại sao bạn không bao giờ được thay đổi chỉ số dưới để cân bằng phản ứng cháy
Giả sử bạn cần thêm oxi ở phía sản phẩm. Bạn không thể biến \(\ce{CO2}\) thành \(\ce{CO3}\).
Đó không phải là cân bằng phương trình. Bạn đã thay đổi cacbon đioxit thành một công thức hóa học khác.
Chỉ thay đổi hệ số, tức các số đặt trước công thức hóa học.
Ví dụ:
\[ \ce{2CO2} \]
có nghĩa là hai phân tử cacbon đioxit, hoặc hai mol cacbon đioxit.
Ngược lại,
\[ \ce{CO3} \]
sẽ biểu thị một tỉ lệ nguyên tử hoàn toàn khác.
Đây là một trong những lỗi cân bằng phổ biến nhất vì thay đổi chỉ số dưới có thể khiến số nguyên tử trông có vẻ đúng trong khi làm cho hóa học trở nên sai.
05Sự cháy không hoàn toàn
Bây giờ hãy quay lại ngọn lửa màu vàng, có khói.
Nếu không có đủ oxi để toàn bộ cacbon trở thành \(\ce{CO2}\), sự cháy là không hoàn toàn.
Đối với các phản ứng đơn giản hóa được sử dụng ở cấp độ HSC, các sản phẩm chứa cacbon quan trọng là:
| Điều kiện oxi | Sản phẩm chứa cacbon có khả năng hình thành | Sản phẩm chính khác |
|---|---|---|
| Đủ oxi | \(\ce{CO2}\) | \(\ce{H2O}\) |
| Oxi hạn chế | \(\ce{CO}\) | \(\ce{H2O}\) |
| Oxi bị hạn chế nghiêm trọng | \(\ce{C}\) dưới dạng muội than | \(\ce{H2O}\) |
Ngọn lửa thực tế có thể chứa hỗn hợp \(\ce{CO2}\), \(\ce{CO}\), muội than, nhiên liệu chưa cháy và các tiểu phân khác. Một phương trình trong bài thi thường cung cấp đủ thông tin để bạn sử dụng một tập hợp sản phẩm đã được đơn giản hóa.
Điều này dẫn đến một quy tắc quan trọng:
Chỉ riêng cụm từ “sự cháy không hoàn toàn” không phải lúc nào cũng xác định được một phương trình duy nhất.
Nếu câu hỏi nêu rằng cacbon monoxit được tạo thành, hãy dùng \(\ce{CO}\). Nếu câu hỏi nêu rằng muội than hoặc cacbon được tạo thành, hãy dùng \(\ce{C}\). Nếu bằng chứng cho thấy có hỗn hợp sản phẩm, bạn có thể cần tính đến nhiều hơn một sản phẩm chứa cacbon.
Ví dụ có lời giải: Sự cháy không hoàn toàn của etanol tạo cacbon monoxit
Etanol, \(\ce{C2H5OH}\), cháy khi nguồn cung cấp oxi bị hạn chế. Giả sử cacbon monoxit và nước là các sản phẩm duy nhất. Hãy viết phương trình cân bằng.
Bước 1
\[ \ce{C2H5OH + O2 -> CO + H2O} \]
Bước 2
Etanol chứa 2 nguyên tử cacbon, vì vậy tạo 2 phân tử cacbon monoxit.
\[ \ce{C2H5OH + O2 -> 2CO + H2O} \]
Bước 3
\(\ce{C2H5OH}\) chứa tổng cộng 6 nguyên tử hiđro. Vì vậy, ta cần 3 phân tử nước.
\[ \ce{C2H5OH + O2 -> 2CO + 3H2O} \]
Bước 4
Các sản phẩm chứa:
- 2 nguyên tử oxi trong \(\ce{2CO}\)
- 3 nguyên tử oxi trong \(\ce{3H2O}\)
Tổng số nguyên tử oxi ở vế phải: \(5\).
Nhưng etanol đã chứa 1 nguyên tử oxi. Điều đó có nghĩa là chỉ cần thêm 4 nguyên tử oxi từ \(\ce{O2}\).
Hai phân tử \(\ce{O2}\) cung cấp 4 nguyên tử đó.
\[ \boxed{\ce{C2H5OH + 2O2 -> 2CO + 3H2O}} \]
Chi tiết quan trọng là nguyên tử oxi đã có sẵn trong etanol. Xử lý etanol như một hiđrocacbon và quên nguyên tử oxi đó sẽ dẫn đến hệ số sai.
06Nếu cacbon rắn được tạo thành thì sao?
Giả sử metan cháy với nguồn cung cấp oxi bị hạn chế nghiêm trọng và các sản phẩm đơn giản hóa là cacbon và nước.
Bắt đầu với:
\[ \ce{CH4 + O2 -> C + H2O} \]
Cacbon đã được cân bằng.
Bốn nguyên tử hiđro cần 2 phân tử nước:
\[ \ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O} \]
Hai phân tử nước chứa 2 nguyên tử oxi, vì vậy cần một \(\ce{O2}\):
\[ \boxed{\ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}} \]
Cacbon rắn biểu thị muội than trong mô hình đơn giản hóa này.
Hãy chú ý rằng phản ứng này sử dụng ít oxi hơn nhiều so với sự cháy hoàn toàn:
\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]
Sự so sánh đó chính là ý tưởng cốt lõi của sự cháy không hoàn toàn. Có ít oxi hơn, nên cacbon kết thúc ở một dạng có mức oxi hóa thấp hơn.
07Quy trình nhanh để xử lý câu hỏi về phản ứng cháy
Khi gặp một phương trình cháy, đừng bắt đầu cân bằng ngay lập tức.
Trước tiên hãy xác định những sản phẩm nào hợp lý về mặt hóa học.
| Thông tin câu hỏi cho biết | Bạn nên làm gì |
|---|---|
| Sự cháy hoàn toàn của một hiđrocacbon | Viết \(\ce{CO2}\) và \(\ce{H2O}\) |
| Sự cháy hoàn toàn của một ancol | Viết \(\ce{CO2}\) và \(\ce{H2O}\), sau đó tính cả lượng oxi đã có trong ancol khi cân bằng |
| Sự cháy không hoàn toàn tạo cacbon monoxit | Viết \(\ce{CO}\) và \(\ce{H2O}\) |
| Sự cháy không hoàn toàn tạo muội than | Viết \(\ce{C}\) và \(\ce{H2O}\) |
| Chỉ nói “sự cháy không hoàn toàn” | Kiểm tra xem câu hỏi có đưa ra bằng chứng về \(\ce{CO}\), muội than hay một hỗn hợp hay không |
| Các sản phẩm đã được cho sẵn | Không thay chúng bằng những sản phẩm bạn dự đoán. Hãy cân bằng chính phương trình đã được cho |
Khi đã xác định được sản phẩm, hãy cân bằng cacbon, sau đó hiđro, rồi oxi.
Thứ tự đó là một phương pháp, không phải một quy luật tự nhiên. Nó đơn giản là hiệu quả vì oxi thường xuất hiện trong nhiều sản phẩm.
08Một công thức nhanh hữu ích cho hiđrocacbon
Đối với hiđrocacbon có công thức \(\ce{C_xH_y}\), sự cháy hoàn toàn có thể được biểu diễn là:
\[ \ce{C_xH_y + (x + \frac{y}{4})O2 -> xCO2 + \frac{y}{2}H2O} \]
Trong đó:
- \(x\) là số nguyên tử cacbon trong một phân tử hiđrocacbon
- \(y\) là số nguyên tử hiđro
Công thức này xuất phát trực tiếp từ định luật bảo toàn nguyên tử.
Có \(x\) nguyên tử cacbon, vì vậy cần \(x\ce{CO2}\).
Có \(y\) nguyên tử hiđro, vì vậy cần \(\frac{y}{2}\ce{H2O}\).
Các sản phẩm đó quyết định lượng oxi cần thiết.
Công thức này hữu ích để kiểm tra kết quả của bạn, nhưng không thay thế cho việc hiểu quy trình cân bằng. Nó cũng chỉ áp dụng cho hiđrocacbon. Không sử dụng nguyên dạng công thức này cho các nhiên liệu chứa oxi như etanol.
09Phản ứng cháy không giống với phản ứng tổng hợp
Một phản ứng như:
\[ \ce{2Mg + O2 -> 2MgO} \]
có thể được mô tả là phản ứng cháy vì magie cháy trong oxi.
Nó cũng có thể phù hợp với dạng của phản ứng tổng hợp vì hai chất phản ứng tạo thành một sản phẩm.
Các cách phân loại phản ứng có thể chồng lấp lên nhau. Tên gọi phụ thuộc vào đặc điểm nào của phản ứng mà bạn đang thảo luận. Nếu bạn cần so sánh các dạng phản ứng, hãy xem phản ứng tổng hợp: dự đoán sản phẩm và cân bằng phương trình.
10Ngộ nhận cần chú ý
Một học sinh nhìn thấy cụm từ “sự cháy không hoàn toàn của propan” và ngay lập tức viết:
\[ \ce{2C3H8 + 7O2 -> 6CO + 8H2O} \]
Phương trình được cân bằng, và nó thực sự biểu diễn một phản ứng cháy không hoàn toàn đơn giản hóa có thể xảy ra.
Nhưng câu hỏi có thực sự chỉ rõ rằng cacbon monoxit được tạo thành không?
Nếu không, phương trình không được xác định duy nhất. Propan cũng có thể tạo muội than khi oxi bị hạn chế nghiêm trọng hơn, hoặc tạo hỗn hợp \(\ce{CO2}\) và \(\ce{CO}\).
Đây là lý do việc dự đoán sản phẩm phải được thực hiện trước khi cân bằng.
Một phương trình được cân bằng hoàn hảo vẫn có thể trả lời sai câu hỏi hóa học.
11Câu hỏi và lời giải
Câu hỏi 1
Một học sinh viết phương trình sau cho sự cháy hoàn toàn của propan:
\[ \ce{C3H8 + 4O2 -> 3CO2 + 4H2O} \]
Phương trình đã cân bằng chưa? Nếu chưa, hãy sửa lại.
Lời giải 1
Chưa. Phương trình đúng là \(\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}\).
Cacbon và hiđro đã được cân bằng:
- cacbon: \(3\) nguyên tử ở mỗi vế
- hiđro: \(8\) nguyên tử ở mỗi vế
Bây giờ hãy đếm oxi ở phía sản phẩm.
\(\ce{3CO2}\) chứa \(3 \times 2 = 6\) nguyên tử oxi.
\(\ce{4H2O}\) chứa \(4 \times 1 = 4\) nguyên tử oxi.
Vì vậy, các sản phẩm chứa:
\[ 6 + 4 = 10 \text{ nguyên tử oxi} \]
Mỗi phân tử \(\ce{O2}\) chứa 2 nguyên tử oxi, nên:
\[ \frac{10}{2}=5 \]
Do đó:
\[ \boxed{\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}} \]
Phương trình ban đầu chỉ có 8 nguyên tử oxi ở phía chất phản ứng, vì vậy nó không bảo toàn số nguyên tử oxi.
Câu hỏi 2
Metanol, \(\ce{CH3OH}\), cháy hoàn toàn. Hãy dự đoán các sản phẩm và viết phương trình cân bằng.
Lời giải 2
Các sản phẩm là cacbon đioxit và nước, và phương trình cân bằng là \(\ce{2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O}\).
Bắt đầu với các sản phẩm của sự cháy hoàn toàn:
\[ \ce{CH3OH + O2 -> CO2 + H2O} \]
Một phân tử metanol chứa 1 nguyên tử cacbon và 4 nguyên tử hiđro, nên:
\[ \ce{CH3OH + O2 -> CO2 + 2H2O} \]
Các sản phẩm chứa tổng cộng 4 nguyên tử oxi:
- 2 trong \(\ce{CO2}\)
- 2 trong \(\ce{2H2O}\)
Metanol đã cung cấp 1 nguyên tử oxi, vì vậy cần thêm 3 nguyên tử oxi từ \(\ce{O2}\):
\[ \ce{CH3OH + \frac{3}{2}O2 -> CO2 + 2H2O} \]
Nhân mọi hệ số với 2:
\[ \boxed{\ce{2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O}} \]
Bẫy chính là quên nguyên tử oxi đã có sẵn trong \(\ce{CH3OH}\).
Câu hỏi 3
Butan, \(\ce{C4H10}\), cháy không hoàn toàn. Phân tích cho thấy cacbon monoxit là sản phẩm chứa cacbon duy nhất. Hãy viết phương trình cân bằng.
Lời giải 3
Phương trình cân bằng là \(\ce{2C4H10 + 9O2 -> 8CO + 10H2O}\).
Vì cacbon monoxit đã được chỉ rõ, hãy viết:
\[ \ce{C4H10 + O2 -> CO + H2O} \]
Cân bằng 4 nguyên tử cacbon:
\[ \ce{C4H10 + O2 -> 4CO + H2O} \]
Cân bằng 10 nguyên tử hiđro:
\[ \ce{C4H10 + O2 -> 4CO + 5H2O} \]
Các sản phẩm hiện chứa:
\[ 4 + 5 = 9 \text{ nguyên tử oxi} \]
Điều đó cần \(\frac{9}{2}\ce{O2}\):
\[ \ce{C4H10 + \frac{9}{2}O2 -> 4CO + 5H2O} \]
Nhân mọi hệ số với 2:
\[ \boxed{\ce{2C4H10 + 9O2 -> 8CO + 10H2O}} \]
Phương trình sử dụng ít oxi hơn so với sự cháy hoàn toàn vì cacbon tạo thành \(\ce{CO}\) thay vì bị oxi hóa hoàn toàn thành \(\ce{CO2}\).
Câu hỏi 4
Một câu hỏi chỉ nêu rằng pentan, \(\ce{C5H12}\), cháy không hoàn toàn.
Một học sinh viết:
\[ \ce{2C5H12 + 11O2 -> 10CO + 12H2O} \]
Đây có phải là phương trình cân bằng duy nhất có thể có cho sự cháy không hoàn toàn không? Hãy giải thích câu trả lời và đưa ra một khả năng đơn giản hóa khác.
Lời giải 4
Không. Phương trình của học sinh là một phương trình cháy không hoàn toàn đơn giản hóa hợp lệ, nhưng đó không phải là khả năng duy nhất.
Sự cháy không hoàn toàn có nghĩa là không có đủ oxi để toàn bộ cacbon bị oxi hóa hoàn toàn thành \(\ce{CO2}\). Tùy theo điều kiện, cacbon monoxit, cacbon rắn hoặc một hỗn hợp sản phẩm có thể được tạo thành.
Ví dụ, nếu câu hỏi nêu rằng cacbon rắn được tạo thành, một phương trình đơn giản hóa là:
\[ \ce{C5H12 + O2 -> C + H2O} \]
Cân bằng cacbon và hiđro:
\[ \ce{C5H12 + O2 -> 5C + 6H2O} \]
6 phân tử nước chứa 6 nguyên tử oxi, cần 3 phân tử oxi:
\[ \boxed{\ce{C5H12 + 3O2 -> 5C + 6H2O}} \]
Cả phương trình này và phương trình tạo cacbon monoxit của học sinh đều mô tả sự cháy không hoàn toàn dưới các giả định đơn giản hóa.
Bẫy ở đây là cho rằng cụm từ sự cháy không hoàn toàn tự động có nghĩa là chỉ tạo cacbon monoxit. Cần thêm thông tin về các sản phẩm để xác định một phương trình duy nhất.
Câu hỏi 5
Hai bình kín ban đầu chứa cùng một lượng propan.
Sau khi châm cháy, bình A chỉ chứa cacbon đioxit và nước. Không còn propan hoặc oxi.
Bình B chứa nước, cacbon đioxit, cacbon monoxit và một lượng propan chưa phản ứng.
Một học sinh cho rằng bình A ban đầu chắc chắn phải chứa oxi dư vì phản ứng cháy của nó là hoàn toàn.
Hãy đánh giá nhận định này.
Lời giải 5
Nhận định này không đúng. Bình A cần đủ oxi để xảy ra sự cháy hoàn toàn, nhưng thông tin được cho không chứng minh rằng oxi có mặt ở lượng dư.
Sự cháy hoàn toàn của propan là:
\[ \ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O} \]
Do đó, tỉ lệ theo phương trình là:
\[ 1\text{ mol }\ce{C3H8}:5\text{ mol }\ce{O2} \]
Nếu bình A ban đầu chứa chính xác 5 mol oxi cho mỗi mol propan, cả hai chất phản ứng đều có thể được tiêu thụ hoàn toàn, chỉ để lại cacbon đioxit và nước.
Điều đó phù hợp với quan sát rằng không còn propan và cũng không còn oxi.
Oxi dư có nghĩa là lượng oxi được cung cấp nhiều hơn lượng phản ứng cần. Nếu lượng dư đó còn lại sau phản ứng, oxi sẽ xuất hiện trong số các chất cuối cùng.
Bình B không có đủ lượng oxi có thể sử dụng để xảy ra sự cháy hoàn toàn. Vì vậy, một phần cacbon tạo thành \(\ce{CO}\) thay vì chỉ tạo \(\ce{CO2}\), và một phần propan vẫn chưa phản ứng.
Ngộ nhận ở đây là xem “sự cháy hoàn toàn” và “oxi dư” là hai khái niệm giống hệt nhau. Sự cháy hoàn toàn cần đủ oxi để oxi hóa hoàn toàn lượng nhiên liệu tham gia phản ứng. Chính xác lượng oxi theo tỉ lệ tỉ lượng cũng có thể là đủ.
Câu hỏi 6
Một mol butan, \(\ce{C4H10}\), phản ứng với chính xác \(5.50\) mol \(\ce{O2}\).
Giả sử toàn bộ butan đều phản ứng và các sản phẩm duy nhất là \(\ce{CO2}\), \(\ce{CO}\) và \(\ce{H2O}\).
Hãy xác định lượng \(\ce{CO2}\) và \(\ce{CO}\) được tạo thành, tính theo mol.
Lời giải 6
Phản ứng tạo ra \(2.00\) mol \(\ce{CO2}\) và \(2.00\) mol \(\ce{CO}\).
Bắt đầu với hiđro.
Một mol \(\ce{C4H10}\) chứa 10 mol nguyên tử hiđro. Chúng tạo thành:
\[ \frac{10}{2}=5.00\text{ mol }\ce{H2O} \]
Vì vậy, 5.00 mol nước được tạo ra.
\(5.50\) mol \(\ce{O2}\) ban đầu chứa:
\[ 5.50 \times 2 = 11.0\text{ mol nguyên tử oxi} \]
Nước sử dụng 5.00 mol nguyên tử oxi, còn lại:
\[ 11.0-5.00=6.00\text{ mol nguyên tử oxi} \]
cho các sản phẩm chứa cacbon.
Gọi \(a\) là số mol \(\ce{CO2}\) và \(b\) là số mol \(\ce{CO}\).
Có 4 mol nguyên tử cacbon từ một mol butan, nên:
\[ a+b=4 \]
Các oxit của cacbon phải chứa 6 mol nguyên tử oxi còn lại:
\[ 2a+b=6 \]
Lấy phương trình thứ hai trừ phương trình thứ nhất:
\[ (2a+b)-(a+b)=6-4 \]
suy ra:
\[ a=2 \]
Sau đó:
\[ b=4-2=2 \]
Do đó:
\[ \boxed{2.00\text{ mol }\ce{CO2}} \]
và
\[ \boxed{2.00\text{ mol }\ce{CO}} \]
Một phương trình cân bằng biểu diễn cùng tỉ lệ là:
\[ \boxed{\ce{2C4H10 + 11O2 -> 4CO2 + 4CO + 10H2O}} \]
Ý tưởng quan trọng là sự cháy không hoàn toàn không nhất thiết chỉ tạo ra một dạng cacbon. Khi lượng oxi cung cấp nằm giữa các lượng cần thiết cho những tập hợp sản phẩm lý tưởng hóa khác nhau, một hỗn hợp \(\ce{CO2}\) và \(\ce{CO}\) có thể thỏa mãn định luật bảo toàn cả cacbon lẫn oxi.
Khi bạn đã có thể chọn đúng sản phẩm cháy trước khi cân bằng, bước hữu ích tiếp theo là liên hệ các phương trình này với phép tính hóa học theo phương trình. Một phương trình cháy cân bằng không chỉ bảo toàn nguyên tử. Các hệ số của nó cho biết các tỉ lệ mol cần thiết để tính lượng oxi cần dùng, lượng nhiên liệu tiêu thụ và lượng sản phẩm được tạo thành.