Αντίδραση καύσης:Παραδείγματα και ορισμός

Η καύση αναφέρεται σε μια χημική αντίδραση υψηλής ενέργειας κατά την οποία το καύσιμο οξειδώνεται και μετατρέπεται σε ένα μείγμα συχνά αέριων προϊόντων. Η καύση είναι μια εξώθερμη αντίδραση, καθώς περιλαμβάνει την απελευθέρωση ενέργειας με τη μορφή φωτός και θερμότητας. Ο πιο συνηθισμένος οξειδωτικός παράγοντας στις αντιδράσεις καύσης είναι το ατμοσφαιρικό οξυγόνο (Ο), αλλά άλλοι οξειδωτικοί παράγοντες περιλαμβάνουν:χλώριο (Cl), φθόριο (F) και οξείδιο του αζώτου (N2O). Η αντίδραση καύσης συμβαίνει σε πολλά μέρη στη φύση και ήταν μεταξύ των πρώτων χημικές αντιδράσεις που οι άνθρωποι χρησιμοποίησαν τον έλεγχο (φωτιά).

Οι αντιδράσεις καύσης είναι εξαιρετικά χρήσιμες τεχνολογικά, καθώς μπορούν να αξιοποιηθούν για την παραγωγή υψηλών ποσοτήτων ενέργειας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτέλεση σωματικής εργασίας. Υπάρχουν διάφορες τεχνολογίες για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας που παράγεται κατά την καύση σε μηχανική ενέργεια, όπως ο κινητήρας εσωτερικής καύσης ενός αυτοκινήτου ή σε ηλεκτρική ενέργεια, όπως μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

Βασικές αρχές της καύσης

Οι αντιδράσεις καύσης απαιτούν τρία κύρια συστατικά:αντιδραστήρια (καύσιμο), οξειδωτικό παράγοντα και θερμότητα. Με διαφορά, τα πιο κοινά είδη καυσίμων για αντιδράσεις καύσης είναι οι ενώσεις υδρογονάνθρακα, όπως το μεθάνιο (CH4), το προπάνιο (C3H8) ή το οκτάνιο (C8H18). Ο πιο κοινός οξειδωτικός παράγοντας είναι το ατμοσφαιρικό οξυγόνο. Έτσι, η πλειονότητα των παραδειγμάτων καύσης που θα εξετάσουμε περιλαμβάνει την καύση ενώσεων υδρογονανθράκων σε μια οξυγονωμένη ατμόσφαιρα.

Για παράδειγμα, το μεθάνιο είναι ένα κοινό καύσιμο καύσιμο. Η γενική μορφή της χημικής εξίσωσης για την καύση του μεθανίου σε οξυγόνο είναι:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H20

Έτσι, κατά τη διάρκεια της καύσης του μεθανίου, ένα μόριο μεθανίου και 2 διατομικά μόρια οξυγόνου διασπώνται και ανασυνδυάζονται για ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα και 2 μόρια νερού.

Δεδομένου ότι η καύση είναι μια εξώθερμη αντίδραση, ένα από τα προϊόντα της αντίδρασης είναι η ενέργεια με τη μορφή θερμότητας. Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται από μια χημική αντίδραση ονομάζεται ενθαλπία μεταβολής της αντίδρασης . Η ενθαλπία της αλλαγής είναι ένα μέτρο του πόση θερμότητα εκπέμπει ή απορροφά μια χημική αντίδραση από το περιβάλλον. Ο τυπικός συμβολισμός για την αναπαράσταση της ενθαλπίας είναι ΔΗ. Η τυπική μονάδα SI που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ενθαλπίας της μεταβολής είναι το τζάουλ (J). Εάν μια αντίδραση είναι ενδόθερμη (απορροφά θερμότητα), η ΔΗ θα είναι θετική. Εάν μια αντίδραση εκπέμπει ενέργεια (εξώθερμη) τότε το ΔH θα έχει αρνητική τιμή.

Η καύση είναι πάντα εξώθερμη, επομένως η ενθαλπία μεταβολής για οποιαδήποτε αντίδραση καύσης θα είναι πάντα αρνητική. Για παράδειγμα, η ενθαλπία μεταβολής για μια αντίδραση καύσης μεθανίου είναι ΔH =-891 ανά kJ/mol. Μια αντίδραση καύσης μεθανίου απελευθερώνει 891 kilojoules θερμικής ενέργειας ανά mole μεθανίου. Η ενέργεια που παράγεται από μια αντίδραση καύσης προέρχεται από την ενέργεια που αποθηκεύεται στους χημικούς δεσμούς του καυσίμου που απελευθερώνεται όταν τα αντιδρώντα διασπώνται και αναδιατάσσονται στα προϊόντα. Η καύση των αντιδραστηρίων υδρογονανθράκων είναι ενεργητική, ιδίως λόγω των δεσμών υψηλής ενέργειας στα μόρια οξυγόνου των ενώσεων υδρογονανθράκων.

Η καύση συμβαίνει με πολλά άλλα προϊόντα υδρογονανθράκων, όχι μόνο με μεθάνιο. Τα προϊόντα μιας αντίδρασης υδρογονάνθρακα είναι πάντα το διοξείδιο του άνθρακα (ή μονοξείδιο του άνθρακα) και το νερό. Για παράδειγμα, ο τύπος για την αντίδραση καύσης του προπανίου είναι:

C₃H₈ + 5O2 → 3CO₂ + 4H2O (ΔH =-2043,455 kJ/mol)

Το προπάνιο έχει υψηλότερη ενθαλπία μεταβολής λόγω της παρουσίας περισσότερων υδρογονανθρακικών δεσμών στο αρχικό αντιδραστήριο. Ομοίως, ο τύπος για την καύση αιθανίου (C₂ H₆ ) είναι:

2C₂ H₆ + 7O2 → 4CO2 + 6H2O (ΔH =-3120 kJ/mol)

Γενικά, ο τύπος για μια αντίδραση καύσης υδρογονανθράκων σε οξυγόνο είναι:

CₓHᵧ + z O₂ → x CO₂ + (y /2)H2O

όπου z = x + (y /4).

Στις περισσότερες περιπτώσεις καύσης, η πηγή οξυγόνου είναι ο κανονικός ατμοσφαιρικός αέρας. Ο ατμοσφαιρικός αέρας περιέχει επίσης μεγάλες ποσότητες αζώτου (Ν). Στην ατμόσφαιρά μας, το οξυγόνο υπερτερεί του αζώτου σε αναλογία περίπου 3,77 μορίων αζώτου ανά γραμμομόριο μορίων οξυγόνου. Έτσι, οι περισσότερες αντιδράσεις καύσης που χρησιμοποιούν απλό αέρα παράγουν επίσης αζωτούχα προϊόντα. Το άζωτο συνήθως δεν θεωρείται εύφλεκτο υλικό, αλλά οι αντιδράσεις καύσης στον αέρα παράγουν μια μικρή ποσότητα οξειδίου του αζώτου (ενώσεις με τη μορφή NO2)

Η καύση απαιτεί την παρουσία οξυγόνου, διαφορετικά δεν μπορεί να συμβεί. Έτσι, ένας τρόπος για να σταματήσει μια αντίδραση καύσης είναι η αφαίρεση είναι η πηγή οξυγόνου. Αυτή είναι η κύρια αρχή πίσω από το σχεδιασμό των πυροσβεστήρων. Η πυρκαγιά σβήνει ψεκασμό διοξειδίου του άνθρακα κοντά σε φωτιά. Το διοξείδιο του άνθρακα είναι βαρύτερο από τον ατμοσφαιρικό αέρα, επομένως θα εκτοπίσει οποιονδήποτε αέρα γύρω από τη φωτιά, κόβοντας την οξειδωτική πηγή της. Αυτός είναι επίσης ο λόγος που οι πυρκαγιές είναι ιδιαίτερα επικίνδυνες στο διάστημα. Η υψηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο των τεχνητών οικοτόπων στο διάστημα επιτρέπει στις πυρκαγιές να εξαπλωθούν πολύ γρήγορα και βίαια. Ακόμη και μια σπίθα μπορεί να είναι καταστροφική σε περιβάλλον με υψηλό οξυγόνο.

Τύποι καύσης

Η αντίδραση καύσης μπορεί να χωριστεί σε δύο κύριους τύπους, πλήρεις ή ατελείς, ο καθένας με βάση την ποσότητα του οξυγόνου που είναι διαθέσιμο για την αντίδραση. Το αν μια αντίδραση καύσης είναι πλήρης ή ατελής εξαρτάται από την αποτελεσματικότητα της αντίδρασης καύσης.

• Πλήρης καύση
  • Κατά τη διάρκεια μιας πλήρους χημικής αντίδρασης, τα αντιδρώντα μετατρέπονται πλήρως σε νερό και σε προϊόν οξειδίου (προϊόν με τη μορφή XO₂ ). Στην περίπτωση των αντιδρώντων υδρογονανθράκων, το προϊόν οξειδίου είναι το διοξείδιο του άνθρακα. Ουσιαστικά, μια πλήρης αντίδραση λαμβάνει χώρα όταν υπάρχουν αρκετά μόρια οξυγόνου έτσι ώστε 2 άτομα οξυγόνου να μπορούν να αντιστοιχιστούν σε κάθε άτομο άνθρακα. Στην περίπτωση άλλων πηγών καυσίμων εκτός από τους υδρογονάνθρακες, τα προϊόντα είναι κοινά διοξείδια αυτού του στοιχείου. π.χ. διοξείδιο του θείου (SO₂ ) για θείο (S), διοξείδιο σιδήρου (III) (Fe₂ O₃ ) για σίδερο.
  • Μια αντίδραση πλήρους καύσης είναι η πιο ιδανική και υποθετικά θα συνεχιζόταν μέχρι να εξαντληθεί όλο το καύσιμο. Στον πραγματικό κόσμο, οι χημικές αντιδράσεις δεν είναι ποτέ 100% αποτελεσματικές. Κάποια απελευθερωμένη ενέργεια διαχέεται στο περιβάλλον, επομένως δεν μετατρέπεται όλο το 100% του αντιδρώντος σε προϊόν. Η αποτελεσματικότητα μιας αντίδρασης καύσης μπορεί να σχετίζεται με ακαθαρσίες στην πηγή καυσίμου, ακαθαρσίες στον οξειδωτικό παράγοντα και τη θερμοκρασία. Γενικά, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο αποτελεσματική είναι η αντίδραση καύσης.
• Ημιτελής καύση
  • Αντίθετα, μια ατελής αντίδραση καύσης συμβαίνει όταν δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο για να μετατραπεί πλήρως το καύσιμο σε προϊόντα. Λόγω της χαμηλής ποσότητας μορίων οξυγόνου, δεν υπάρχουν αρκετά άτομα οξυγόνου για να ζευγαρώσουν δύο με κάθε άτομο άνθρακα. Το αποτέλεσμα είναι ότι η ατελής καύση υδρογονανθράκων παράγει άνθρακα και προϊόντα μονοξειδίου του άνθρακα, μαζί με νερό. Για παράδειγμα, μια ατελής αντίδραση καύσης αιθανίου μπορεί να μοιάζει με:

           2C₂ H₆ + 5O2 → 4CO + 6H2O + θερμότητα

• • Σε αυτήν την περίπτωση, δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο για να ταιριάζει 2 άτομα οξυγόνου με κάθε άτομο άνθρακα. Έτσι, αντί αυτού, σχηματίζεται το αέριο προϊόν μονοξείδιο του άνθρακα. Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι ένα πολύ δηλητηριώδες αέριο, επομένως η ατελής καύση στον χώρο διαβίωσης μπορεί να είναι εξαιρετικά επικίνδυνη.

2C₂ H₆ + 3O2 → 4C + 6H2O + θερμότητα

• • Σε αυτήν την περίπτωση, το αιθάνιο καίγεται για να σχηματίσει αέρια μόρια άνθρακα. Αυτά τα μόρια άνθρακα στη συνέχεια αποτίθενται σε κοντινές στερεές επιφάνειες, σχηματίζοντας αιθάλη.

Παραδείγματα καύσης

• Πυρκαγιά
  • Μακράν η πιο κοινή αντίδραση καύσης στην καθημερινή ζωή είναι η φωτιά. Η φωτιά είναι το αποτέλεσμα μιας αντίδρασης καύσης υψηλής ενέργειας που συμβαίνει λόγω της θέρμανσης των οργανικών αντιδραστηρίων στον ατμοσφαιρικό αέρα. Η ορατή φλόγα μιας φωτιάς αποτελείται από θερμαινόμενα αέρια όπως το διοξείδιο του άνθρακα, το οξυγόνο, το άζωτο και οι υδρατμοί. Σε ορισμένες πυρκαγιές, οι φλόγες θερμαίνονται αρκετά ώστε να μετατρέπουν το αέριο σε πλάσμα, μια κατάσταση υπερθερμασμένης ιονισμένης ύλης.
  • Δεν ήταν πάντα δυνατό να υπάρχει φωτιά στη Γη. Κατά τη διάρκεια της Προκάμβριας εποχής, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο της ατμόσφαιρας της Γης ήταν πολύ χαμηλή για να επιτρέψει την καύση που παρήγαγε ανοιχτή φλόγα. Η φωτιά έγινε δυνατή στη Γη πριν από περίπου 460 εκατομμύρια χρόνια, όταν η περιεκτικότητα της Γης σε οξυγόνο έφτασε λίγο περισσότερο από 13%.

• Καύσιμο πυραύλων
  • Η σύγχρονη τεχνολογία πυραύλων συνήθως χρησιμοποιεί την καύση υδρογόνου και οξυγόνου σε υδρατμούς ως πηγή πρόωσης. Οι σύγχρονοι πύραυλοι χρησιμοποιούν υγρό υδρογόνο που καίγεται με οξυγόνο σύμφωνα με την αντίδραση:

2H2 + O2 → 2H2O (ΔH =-242 kJ/mol)

• • Οι πύραυλοι προτιμούν να χρησιμοποιούν το υδρογόνο ως καύσιμο για την καύση επειδή είναι άφθονα διαθέσιμο και το μόνο προϊόν της αντίδρασης (εκτός από τη θερμική ενέργεια) είναι οι υδρατμοί. Οι αντιδράσεις καύσης υδρογόνου είναι πολύ ενεργητικές και έχουν υψηλή αναλογία μάζας προς ενέργεια, επομένως απαιτεί λιγότερη ποσότητα καυσίμου ανά μονάδα παραγωγής ενέργειας από τις παραδοσιακές μεθόδους προωθητικού πυραύλων.
• Στα αυτοκίνητα
  • Τα περισσότερα σύγχρονα αυτοκίνητα λειτουργούν με κάποιου είδους κινητήρα εσωτερικής καύσης, ο οποίος λειτουργεί με την καύση βενζίνης παρουσία οξυγόνου. Μέσα σε έναν κινητήρα αυτοκινήτου, οι αντιδράσεις καύσης μεταξύ βενζίνης και οξυγόνου παράγουν μεγάλες ποσότητες θερμότητας. Αυτή η θερμότητα σπρώχνει τα έμβολα, η κίνηση των οποίων προκαλεί την κίνηση των τροχών. Έτσι, ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης λειτουργεί μετατρέποντας τη θερμική ενέργεια που παράγεται από μια αντίδραση καύσης σε μηχανική ενέργεια (μέσω των εμβόλων) που κινεί τους τροχούς.
  • Οι αντιδράσεις καύσης απαιτούν μια σταθερή πηγή οξυγόνου για να διαδοθούν. Χωρίς αρκετό οξυγόνο, μια αντίδραση καύσης θα είναι ατελής ή μπορεί να μην μπορεί να συμβεί καθόλου. Αυτός είναι ο λόγος που τα αυτοκίνητα έχουν καρμπυρατέρ. Τα καρμπυρατέρ λειτουργούν με έγχυση αέρα στο καύσιμο ενός κινητήρα, δίνοντάς του μια σταθερή πηγή οξυγόνου. Χωρίς καρμπυρατέρ, ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης δεν θα είχε παροχή αέρα και οποιαδήποτε αντίδραση καύσης θα εξαντλούσε γρήγορα όλο το διαθέσιμο οξυγόνο.