Bài học

Đốt nhiên liệu và sản phẩm cháy

Mục tiêu bài học

Học xong bài này, em viết và cân bằng được phương trình đốt cháy hoàn toàn của than, methane, butane; tính được thể tích CO₂ sinh ra ở điều kiện chuẩn (đkc); phân biệt được cháy hoàn toàn với cháy không hoàn toàn; và biết vì sao phải cẩn trọng khi đốt nhiên liệu trong không gian kín.

Kiến thức cần nhớ

Em cần nhớ cách viết và cân bằng phương trình hoá học, công thức tính số mol n = m/M, và công thức khí CH₄ (methane) đã gặp ở bài trước. Bài này bổ sung một quy ước quan trọng: theo chương trình mới, ở điều kiện chuẩn (đkc: 25 °C, 1 bar) thì 1 mol khí bất kỳ chiếm thể tích Vm = 24,79 lít — khác với quy ước đktc cũ (0 °C, 1 atm, 22,4 lít/mol) mà một số tài liệu cũ vẫn dùng.

Khởi động

Khi đốt bếp gas mà ngọn lửa có màu vàng, sinh nhiều muội đen bám nồi, đó là dấu hiệu gì đang xảy ra so với ngọn lửa xanh, cháy sạch bình thường? Câu trả lời liên quan trực tiếp đến lượng oxygen cung cấp cho phản ứng cháy.

Cháy hoàn toàn: sản phẩm là CO₂ và H₂O

Than (carbon): C + O₂ --(t°)--> CO₂
Khí thiên nhiên (methane): CH₄ + 2O₂ --(t°)--> CO₂ + 2H₂O
Khí gas hoá lỏng (butane): 2C₄H₁₀ + 13O₂ --(t°)--> 8CO₂ + 10H₂O

Quan sát các phương trình, em thấy số mol O₂ cần dùng và số mol CO₂, H₂O sinh ra đều phụ thuộc vào hệ số cân bằng — đây là bước dễ sai nhất khi tính toán định lượng, nên phải cân bằng phương trình trước khi đặt số mol.

Khi nhiên liệu chứa carbon (và thường cả hydrogen) cháy trong điều kiện đủ oxygen, sản phẩm chính là khí carbon dioxide (CO₂) và hơi nước (H₂O), đồng thời toả ra nhiệt lượng lớn. Một số phương trình tiêu biểu: - Than (carbon): C + O₂ --(t°)--> CO₂ - Khí thiên nhiên (methane): CH₄ + 2O₂ --(t°)--> CO₂ + 2H₂O - Khí gas hoá lỏng (butane): 2C₄H₁₀ + 13O₂ --(t°)--> 8CO₂ + 10H₂O Quan sát các phương trình, em thấy số mol O₂ cần dùng và số mol CO₂, H₂O sinh ra đều phụ thuộc vào hệ số cân bằng — đây là bước dễ sai nhất khi tính toán định lượng, nên phải cân bằng phương trình trước khi đặt số mol.

Cháy không hoàn toàn: nguy hiểm từ khí CO

2C + O₂ --(t°, thiếu O₂)--> 2CO

Đây chính là lý do vì sao tuyệt đối không được đốt than, đốt bếp gas trong phòng kín không có lỗ thông gió: khí CO tích tụ có thể gây ngộ độc, thậm chí tử vong mà không có dấu hiệu cảnh báo rõ ràng (không màu, không mùi).

Khi lượng oxygen cung cấp không đủ, phản ứng cháy xảy ra không hoàn toàn, sinh ra khí carbon monoxide (CO) — một khí không màu, không mùi nhưng rất độc vì nó cạnh tranh với oxygen trong máu — cùng với muội than (carbon rắn, chưa cháy hết) bám đen trên vật dụng: 2C + O₂ --(t°, thiếu O₂)--> 2CO Đây chính là lý do vì sao tuyệt đối không được đốt than, đốt bếp gas trong phòng kín không có lỗ thông gió: khí CO tích tụ có thể gây ngộ độc, thậm chí tử vong mà không có dấu hiệu cảnh báo rõ ràng (không màu, không mùi).

Phân loại dấu hiệu và sản phẩm của cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn.

Ví dụ

Tính thể tích CO₂ khi đốt cháy methane ở đkc

1
Đốt cháy hoàn toàn 4,958 lít khí methane CH₄ (đo ở đkc: 25 °C, 1 bar, Vm = 24,79 L/mol). Viết phương trình và tính thể tích khí CO₂ sinh ra (đo ở đkc), cùng khối lượng nước tạo thành.
2
CH₄ + 2O₂ --(t°)--> CO₂ + 2H₂O. Tỉ lệ mol CH₄ : CO₂ : H₂O = 1 : 1 : 2.
3
n(CH₄) = V ÷ Vm = 4,958 ÷ 24,79 = 0,2 mol.
4
Theo tỉ lệ 1:1, n(CO₂) = 0,2 mol → V(CO₂) = 0,2 × 24,79 = 4,958 lít (đo ở đkc).
5
Theo tỉ lệ 1:2, n(H₂O) = 0,4 mol. M(H₂O) = 18 g/mol → m(H₂O) = 0,4 × 18 = 7,2 g.

Ví dụ

Ước lượng lượng khí CO₂ thải ra từ một bình gas gia đình

1
Một bình gas chứa 12 kg khí butane C₄H₁₀ được đốt cháy hoàn toàn hết trong sinh hoạt hằng ngày. Tính thể tích khí CO₂ (đo ở đkc, Vm = 24,79 L/mol) thải ra môi trường khi dùng hết bình.
2
2C₄H₁₀ + 13O₂ --(t°)--> 8CO₂ + 10H₂O. Tỉ lệ mol C₄H₁₀ : CO₂ = 2 : 8 = 1 : 4.
3
M(C₄H₁₀) = 4×12 + 10×1 = 58 g/mol. n(C₄H₁₀) = 12000 g ÷ 58 g/mol ≈ 206,9 mol.
4
n(CO₂) = 4 × 206,9 ≈ 827,6 mol. V(CO₂) = 827,6 × 24,79 ≈ 20 517 lít ≈ 20,5 m³.
5
Chỉ một bình gas 12 kg dùng hết trong sinh hoạt gia đình đã thải ra hơn 20 m³ khí CO₂ — con số này giúp em hình dung vì sao việc đốt nhiên liệu hoá thạch trên quy mô toàn cầu (hàng triệu tấn mỗi ngày) lại làm lượng CO₂ trong khí quyển tăng nhanh như vậy, điều em sẽ tìm hiểu kỹ hơn ở chương sau về chu trình carbon.

Lỗi thường gặp

Lỗi hay gặp nhất là quên nhân hệ số cân bằng khi quy đổi số mol CO₂, H₂O từ số mol nhiên liệu — ví dụ lấy luôn tỉ lệ 1:1 cho butane trong khi tỉ lệ đúng với CO₂ là 1:4. Lỗi khác: lẫn lộn đkc mới (25 °C, 1 bar, Vm = 24,79 L/mol) với đktc cũ (0 °C, 1 atm, 22,4 L/mol) — hai giá trị Vm khác nhau, phải dùng đúng giá trị đề bài yêu cầu.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Tóm tắt

Cháy hoàn toàn (đủ O₂) sinh CO₂, H₂O, toả nhiều nhiệt; cháy không hoàn toàn (thiếu O₂) sinh thêm khí CO độc và muội than. Tính toán định lượng dùng n = m/M (chất rắn/lỏng) hoặc n = V/Vm với Vm = 24,79 L/mol ở đkc (chất khí), luôn theo đúng tỉ lệ hệ số cân bằng.

Mỗi lần đốt nhiên liệu hoá thạch, một lượng CO₂ lại được giải phóng vào khí quyển. Chương sau sẽ đặt câu hỏi lớn hơn: lượng CO₂ đó rồi đi đâu, và nó liên quan thế nào đến chu trình carbon tự nhiên của Trái Đất?