Wrocław, 18.04.2012 r.
Politechnika Wrocławska
Studium Kształcenia Podstawowego
pt.: „Procesy spalania”
Paweł Gibała
Grupa: środa godzina 11:15-13:00
Rok I studiów stacjonarnych
I. Wprowadzenie
Proces w którym pierwiastki chemiczne reagują z tlenem nazywamy utlenianiem. Tlen w temperaturze pokojowej jest dosyć bierny chemicznie, ale jest kilka substancji, takich jak fosfor, które reagują z nim w tej temperaturze. W niskich temperaturach proces utleniania zachodzi bardzo powoli, aby przyspieszyć ten proces należy podgrzać temperaturę. Powyżej pewnej temperatury (zwaną temperaturą zapłonu) reakcja zachodzi bez naszej ingerencji i podtrzymywana jest kosztem wydzielanego ciepła. Można wtedy zaobserwować żarzenie się utlenianej substancji, emisję promieniowania cieplnego oraz płomień. Ciepło reakcji utleniania jest to ciepło wydzielone podczas reakcji spalania, jest ono liczone na 1 mol utlenianej substancji w odniesieniu do temperatury 298K (25°C) i ciśnienia 101,3 kPa. Reakcje niektórych niemetali z tlenem powietrza lub czystym tlenem można zaliczyć do typowych reakcji utleniania, proces ten jest bardzo gwałtowny i posiada typowe cechy spalania. Niektóre aktywne chemicznie metale reagują nie tylko z tlenem ale także utleniają się za pomocą fluoru czy chloru (gazowy chlor podtrzymuje palenie). Substancje które dostarczają dużą ilość ciepła podczas spalania nazywamy paliwami, są to substancje takie jak: drewno, torf, koks, benzyna, węgiel brunatny czy kamienny. Paliwa dzielimy ze względu na ich stan skupienia na: stałe, ciekłe i gazowe, oraz ze względu na sposób ich otrzymywania: naturalne i sztuczne. Osobną grupę stanowią paliwa rakietowe takie jak nitro metan czy nitrogliceryna, które charakteryzują się dostarczaniem dużej ilości ciepła w przeliczeniu na jednostkę masy (Apostoluk, 2012).
II. Część eksperymentalna
Doświadczenie 1.
Metodyka
Do połowy dużej, płytkiej zlewki nalano wody i wsadzono do niej małą świeczkę na szklanej płytce. Świeczkę zapalono a następnie przykryto ją zlewką o pojemności 250 cm3.
Obserwacje
Po przykryciu świeczki zlewką, płomień zaczął zanikać po czym zgasł całkowicie. Można było również zauważyć, że gdy świeczka zgasła to po chwili poziom wody w zlewce obróconej do góry dnem lekko się podniósł.
Interpretacja
Świeczka podczas palenia się zużywała tlen znajdujący się w powietrzu. Gdy przykryto świeczkę zlewką i tlen się skończył, wtedy świeczka zgasła. Podniesienie się poziomu wody w zlewce świadczy o zmniejszeniu się ciśnienia powietrza.
Wnioski
W reakcji spalania, tlen jest utleniaczem.
Doświadczenie 2. Spalani magnezu w powietrzu
Metodyka
Kawałek ciężkiej wstążki magnezowej zamontowano na końcu żelaznego drutu. Następnie spalono wstążkę magnezową nad zlewką zawierającą 50 cm3 wody destylowanej i kilka kropli fenoloftaleiny. Po reakcji spalania wymieszano drutem otrzymany roztwór.
Obserwacje
Wstążka magnezowa na początku podgrzewania zrobiła się czarna, a później zapaliła się i płonęła bez dostarczania ciepła z zewnątrz. Reakcja spalania była gwałtowna, płomień był biały i bardzo jasny, podobny jak do tego przy spawaniu. Spalony magnez wrzucony do fenoloftaleiny zabarwił roztwór na kolor różowy.
Interpretacja
Reakcja spalania magnezu zachodzi według równania:
2Mg + O2 → 2MgO.
Reakcje tą można rozpisać na reakcje utleniania:
Mg0 → Mg2+ + 2e−,
oraz reakcje redukcji:
O0 + 2e− → O2−.
Po wrzuceniu spalonego tlenku do zlewki z wodą, nastąpiła reakcja:
MgO + H2O → Mg(OH)2.
Wodorotlenek magnezu zabarwił wodny roztwór fenoloftaleiny na kolor różowy co świadczy o zasadowym odczynie.
Wnioski
Magnez przy podniesionej temperaturze utlenia się tworząc tlenek magnezu. Tlenek magnezu włożony do wody tworzy wodorotlenek magnezu, o odczynie zasadowym.
Doświadczenie 3. Spalanie magnezu w CO2
Metodyka
Magnezową wstążkę zamocowaną na końcu drutu podpalono i szybko włożono do probówki wypełnionej dwutlenkiem węgla.
Obserwacje
Po włożeniu zapalonego magnezu do probówki nastąpiła gwałtowna reakcja, magnez szybko się wypalił. Na probówce pojawił się biały i czarny osad.
Interpretacja
Po włożeniu płonącego magnezu do CO2 zaszłą reakcja:
2Mg + CO2 → 2MgO + C.
Reakcję tą można zapisać w postaci reakcji utleniania i redukcji:
Mg0 → Mg+2 + 2e−/•2,
C+4 + 4e− → C0,
2Mg0 + C+4 → 2Mg+2 + C0.
Wnioski
W tej reakcji magnez uległ utlenieniu czyli jest reduktorem, natomiast węgiel uległ redukcji i jest utleniaczem.
Doświadczenie 4. Spalanie żelaza w powietrzu.
Metodyka
W płomieniu palnika zapalono "zimny ogień", czyli metaliczne żelazo oklejone wokół pręcika drucianego. Produkty spalania żelaza określono na podstawie ich właściwości: tlenek żelazowy (niemagnetyczny, brunatno-czerwony), tlenek żelazawo-żelazowy (magnetyczny, czarny), tlenek żelazawy (czarny, niemagnetyczny). Następnie produkty spalania przyciągnięto magnesem osłoniętym kartką papieru. Po odłączeniu kartki od magnesu zaobserwowano barwę produktów.
Obserwacje
Na kartce pojawiły się czarne opiłki, po przyłożeniu magnezu do kartki opiłki reagowały na niego tworząc „jeżyka”.
Interpretacja
Czarne magnetyczne opiłki świadczą o obecności tlenku żelazawo-żelazowego na kartce. Podczas spalania zaszła reakcja:
3Fe + 2O2 → Fe3O4.
Wnioski
Żelazo spala się w powietrzy tworząc tlenki żelazawo-żelazowe.
Doświadczenie 5. Spalanie węgla kamiennego i zawartych w nich związków siarki oraz określenie zawartości popiołu
Metodyka
Do dwóch porcelanowych tygielków wsypano po jednym gramie węgla z dokładnością do 0,002 g, a następnie do jednego z nich dodano jeszcze 1 g CaO. Zawartość tygielka zawierającego węgiel z wapniem dobrze wymieszano i wyrównano poziom próbki do postaci równomiernej warstwy poprzez potrząśnięcie nim. Oba tygielki włożono na 15 minut do pieca rozgrzanego do 800°C. Po wyciągnięciu i ostudzeniu obu tygielków zważono je.
Obserwacje
Masa tygielka: 22,6258 g
Masa tygielka z węglem: 23,6289 g
Masa samego węgla: 1,0031
Mas tygielka po spalaniu: 23,568 g
Interpretacja
Masa węgla po spaleniu: 23,568 - 22,6258 = 0,9422 g
$\frac{09422}{1,0031}\ \bullet 100\% =$93,9%
W piecu zaszło utlenianie węgla, reakcję utleniania można zapisać równaniem:
$2C_{9}H_{3}O + \frac{37}{2}O_{2} \rightarrow {18CO}_{2} + 3H_{2}O$.
Wnioski
Węgiel kamienny utlenia się w temperaturze 800 stopni Celsjusza. Podczas spalania, powstaje dwutlenek węgla i woda w postaci pary wodnej.
Cytowana literatura
Wiesław Apostoluk, 2012, instrukcja do ćwiczenia pt.: ”Procesy spalania”