Combustibili: lecție de chimie

1pe scurtstratul 1 din 2 · rezumatul lecției

Pe scurt

Combustibilii sunt substanțe care ard și eliberează energie sub formă de căldură. După starea fizică, sunt solizi (lemnul, cărbunele), lichizi (benzina, motorina) și gazoși (gazele naturale, hidrogenul). Cărbunele, petrolul și gazele naturale s-au format în milioane de ani din rămășițele organismelor și se numesc combustibili fosili. Ei nu se refac în timpul vieții noastre, de aceea sunt resurse neregenerabile.

Gazele naturale conțin peste $90%$ metan, $C H_{4}$ , și ard în aragazuri și în centralele termice. Petrolul este un amestec de hidrocarburi; prin distilare se separă benzina, motorina și păcura. Cărbunele este bogat în carbon: antracitul are cel mai mult, peste $90%$ . Hidrogenul, $H_{2}$ , este un gaz foarte ușor, care arde formând numai apă.

Metanul arde astfel: $C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$ . Hidrogenul arde astfel: $2 H_{2} + O_{2} \to 2 H_{2} O$ . Arderea completă a combustibililor care conțin carbon produce dioxid de carbon. Dacă oxigenul este insuficient, apar monoxid de carbon, $CO$ , care este toxic, și funingine, adică particule fine de carbon. Cărbunele și petrolul conțin și puțin sulf, care arde la $S O_{2}$ .

Fiecare combustibil are o întrebuințare: benzina și motorina pun în mișcare mașinile, metanul încălzește locuințele și gătește mâncarea, cărbunele produce electricitate în centralele termoelectrice, iar hidrogenul alimentează rachetele și celulele de combustie.

Puterea calorică este căldura eliberată prin arderea completă a unui kilogram de combustibil (la gaze, a unui metru cub). Se măsoară în MJ/kg (la gaze, și în MJ/ $m^{3}$ ). Valori rotunjite: hidrogen $120$ , metan $50$ , benzină $44$ , huilă $30$ , lemn uscat $15$ MJ/kg. Un combustibil cu putere calorică mare dă mai multă energie din aceeași masă.

Exemplu rezolvat. Câte grame de dioxid de carbon și de apă se formează când ard $8$ g de metan?

Masa molară a metanului: $12 + 4 = 16$ g/mol, deci $8/16 = 0, 5$ mol.
Ecuația arată că $1$ mol $C H_{4}$ dă $1$ mol $C O_{2}$ și $2$ moli $H_{2} O$ .
Rezultă $0, 5$ mol $C O_{2}$ , adică $0, 5 \cdot 44 = 22$ g, și $1$ mol $H_{2} O$ , adică $18$ g.
Verificare: se consumă $1$ mol $O_{2}$ , adică $32$ g; $8 + 32 = 40$ g înainte de ardere și $22 + 18 = 40$ g după, deci masa se conservă.

2în detaliustratul 2 din 2 · pentru clasă și Bacalaureat

În detaliu

Compoziția și alegerea combustibilului. Se compară energia obținută, produșii de ardere și condițiile de folosire. Lemnul și cărbunele se păstrează ușor, dar lasă cenușă. Benzina și motorina au putere calorică mare și se transportă în rezervoare, de aceea se folosesc la motoare. Gazele naturale ard fără cenușă și se distribuie prin conducte. Hidrogenul nu se găsește liber în natură; se obține, de exemplu, prin electroliza apei, care consumă energie, și formează cu aerul amestecuri explozive.

Exemplul 1: volume la arderea metanului. Se ard $5, 0$ $m^{3}$ de metan, măsurați în condiții normale ( $V_{m} = 22, 4$ L/mol).

În ecuația $C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$ , raportul volumelor gazelor este același cu raportul molilor: $1 : 2 : 1$ .
Rezultă $5, 0$ $m^{3}$ $C O_{2}$ și au fost necesari $10$ $m^{3}$ oxigen.
Aerul conține aproximativ $20%$ oxigen în volum, deci aerul necesar este $10/0, 20 = 50$ $m^{3}$ .
Masa de $C O_{2}$ : $5000/22, 4 = 223, 2$ mol, adică $223, 2 \cdot 44 = 9, 8$ kg.

Exemplul 2: aceeași energie, doi combustibili. O instalație are nevoie de $240$ MJ.

Hidrogen ( $120$ MJ/kg): $240/120 = 2, 0$ kg.
Metan ( $50$ MJ/kg): $240/50 = 4, 8$ kg.
Din $4, 8$ kg metan, adică $300$ mol, rezultă $300$ mol $C O_{2}$ , adică $13, 2$ kg.
Din $2, 0$ kg hidrogen, adică $1000$ mol, rezultă $1000$ mol apă, adică $18$ kg, și niciun gram de $C O_{2}$ .

Hidrogenul are deci putere calorică de peste două ori mai mare decât metanul și nu produce dioxid de carbon, dar energia necesară obținerii lui trebuie luată în calcul.

Depozitarea hidrogenului. $1$ kg de hidrogen înseamnă $500$ mol și ocupă $500 \cdot 22, 4 = 11200$ L, adică $11, 2$ $m^{3}$ în condiții normale. Pentru a încăpea într-un rezervor, gazul se comprimă la presiuni mari sau se lichefiază la temperatură foarte scăzută; de aceea hidrogenul a rămas mai greu de folosit decât benzina.

Exemplul 3: arderea incompletă. În lipsa oxigenului metanul formează monoxid de carbon: $2C H_{4} + 3 O_{2} \to 2CO + 4 H_{2} O$ . Din $1, 6$ kg metan ( $100$ mol) rezultă $100$ mol $CO$ , adică $2, 8$ kg gaz toxic, inodor și incolor. Arderea incompletă eliberează mai puțină energie decât cea completă.

Exemplul 4: gaz măsurat în metri cubi. Densitatea metanului în condiții normale este $16/22, 4 = 0, 714$ kg/ $m^{3}$ , deci $1$ $m^{3}$ metan eliberează $0, 714 \cdot 50 = 35, 7$ MJ, adică aproximativ $36$ MJ. Pentru $180$ MJ sunt necesari $180/36 = 5, 0$ $m^{3}$ de gaz.

Exemplul 5: o tonă de huilă. Presupunem că huila conține $80%$ carbon. Din $1000$ kg rezultă $800$ kg carbon, adică $800/12 = 66, 7$ kmol; din ecuația $C + O_{2} \to C O_{2}$ se obțin $66, 7$ kmol $C O_{2}$ , adică $66, 7 \cdot 44 = 2933$ kg. Energia eliberată, la $30$ MJ/kg, este $30000$ MJ. Masa de dioxid de carbon rezultată este deci de aproape trei ori mai mare decât masa huilei arse.

Cărbunele. După conținutul de carbon, în ordine crescătoare, se succed turba, lignitul, huila și antracitul. Cărbunele cu mai mult carbon are putere calorică mai mare.

Greșeli frecvente

Greșit: Arderea completă a metanului produce doar apă.
Corect: produce $C O_{2}$ și apă.
Greșit: Din $16$ g metan nu se pot forma $44$ g $C O_{2}$ , deoarece masa crește.
Corect: oxigenul din aer intră în produs; masa totală a reactanților se conservă.
Greșit: Cărbunele, petrolul și gazele naturale sunt resurse care se refac repede.
Corect: s-au format în milioane de ani, deci sunt neregenerabile.
Greșit: Hidrogenul nu poluează deloc, fiindcă arde numai la apă.
Corect: arderea lui nu dă $C O_{2}$ , dar obținerea lui consumă energie, iar amestecul cu aerul este exploziv.

pentru adulți

Pentru părinți

Copilul exersează compararea combustibililor și calculul pe ecuația de ardere.

Cereți să scrie ecuația arderii metanului, gazul din aragaz sau din centrala de acasă.
Cereți să calculeze câte grame de $C O_{2}$ se formează din $32$ g de metan; răspunsul corect este $88$ g.
Verificați dacă a scris $16$ g/mol pentru metan și $44$ g/mol pentru $C O_{2}$ .
Discutați de ce bucătăria și centrala trebuie aerisite.

Întrebați: „De ce monoxidul de carbon apare când arderea este incompletă?”

în contul tăuPremium

Testează-te pe această lecție

Lecția o citești aici, fără cont. Testele pe lecții și capitole sunt în cont, cu grile originale Didaxis și explicația fiecăreia: gratuit 10 grile pe zi, fără limită cu Premium, 49 de lei pe lună pentru fiecare copil.

Testează-te în cont

Înainte și după

DupăArderea și impactul asupra mediuluiProduși de ardere și efectele lor asupra sănătății.CapitolulChimie în viață și mediuToate lecțiile capitolului „Chimie în viață și mediu”.

Surse și referințe

OMEN 3393/2017, anexa 2, Chimie VII–VIII, p. 11; rocnee.eu
Doicin, Gîrtan, Angelușiu, Chimie VIII, ART Klett 2025, «Combustibili», pp. 92–95; catalog.manualedigitaleart.ro
OMECI 5099/2009, Chimie X, p. 5–9; rocnee.eu

Desene: Redactare proprie (desen original)