เครื่องคำนวณปฏิกิริยาการเผาไหม้ - สมการเคมีสมดุลฟรี

เครื่องคำนวณปฏิกิริยาการเผาไหม้คืออะไร?

เครื่องคำนวณปฏิกิริยาการเผาไหม้จะดุลสมการเคมีสำหรับการเผาสารประกอบในออกซิเจน ป้อนสูตรเคมี เช่น CH4 สำหรับมีเทน แล้วเครื่องมือจะคำนวณสมการที่ดุลแล้ว โดยแสดงสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ทุกชนิดพร้อมสัมประสิทธิ์ที่ถูกต้อง

การเผาไหม้เป็นปฏิกิริยาเคมีระหว่างเชื้อเพลิงกับออกซิเจนที่ให้ความร้อนและแสง นักเคมีเรียกปฏิกิริยาที่ปล่อยพลังงานลักษณะนี้ว่าปฏิกิริยาคายความร้อน เมื่อเชื้อเพลิงที่ประกอบด้วยคาร์บอนและไฮโดรเจนเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ จะเกิดคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ

วิธีคำนวณปฏิกิริยาการเผาไหม้

1. เลือกสารประกอบจากรายการเชื้อเพลิงทั่วไป หรือสลับไปที่แท็บกำหนดเองแล้วพิมพ์สูตรเคมี เช่น C3H8 สำหรับโพรเพน
2. เครื่องคำนวณจะอ่านสูตรและนับธาตุแต่ละชนิด ได้แก่ คาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และในเชื้อเพลิงบางชนิดอาจมีไนโตรเจน กำมะถัน หรือธาตุแฮโลเจน (ฟลูออรีน คลอรีน โบรมีน หรือไอโอดีน)
3. เครื่องจะคำนวณว่าปฏิกิริยาต้องใช้ออกซิเจนเท่าใด และเกิดผลิตภัณฑ์แต่ละชนิดมากเท่าใด
4. สมการที่ดุลแล้ว รายการสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ รวมถึงคำอธิบายสั้น ๆ จะปรากฏบนหน้าจอ

สูตรต้องขึ้นต้นด้วยตัวอักษรพิมพ์ใหญ่ เช่น C หรือ H และใช้ได้เฉพาะธาตุข้างต้นเท่านั้น นอกจากนี้ยังต้องมีอะตอมคาร์บอนอย่างน้อยหนึ่งอะตอมและอะตอมไฮโดรเจนอย่างน้อยหนึ่งอะตอม หากสูตรมีธาตุที่เครื่องคำนวณไม่รู้จัก เช่น แคลเซียม เครื่องจะแสดงข้อผิดพลาดแทนที่จะให้คำตอบที่ไม่ถูกต้อง

สูตรปฏิกิริยาการเผาไหม้

สำหรับไฮโดรคาร์บอน ซึ่งเป็นสารประกอบที่ประกอบด้วยคาร์บอนและไฮโดรเจนเท่านั้น สูตรทั่วไปคือ:

CxHy + (x + y/4) O2 → x CO2 + (y/2) H2O

ในที่นี้ x คือจำนวนอะตอมคาร์บอน และ y คือจำนวนอะตอมไฮโดรเจนในเชื้อเพลิงหนึ่งโมเลกุล ตัวเลขหน้าสูตรแต่ละสูตรเรียกว่าสัมประสิทธิ์ ตัวเลขเหล่านี้แสดงจำนวนโมเลกุลของสารแต่ละชนิดที่ทำปฏิกิริยาหรือเกิดขึ้น และต้องทำให้จำนวนอะตอมเท่ากันทั้งสองข้างของสมการ

หากเชื้อเพลิงมีออกซิเจนอยู่แล้ว เช่น แอลกอฮอล์หรือน้ำตาล ให้ลบจำนวนอะตอมออกซิเจน (z) ครึ่งหนึ่งออกจากปริมาณ O2 ที่ต้องใช้:

CxHyOz + (x + y/4 − z/2) O2 → x CO2 + (y/2) H2O

เชื้อเพลิงบางชนิดมีธาตุอื่นร่วมด้วย หากสารประกอบมีกำมะถัน เครื่องคำนวณจะเพิ่มซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) ลงในผลิตภัณฑ์ หากมีไนโตรเจน จะเพิ่มก๊าซไนโตรเจน (N2) หากมีธาตุแฮโลเจน จะเพิ่มไฮโดรเจนแฮไลด์ เช่น HCl ไฮโดรเจนจะจับคู่กับธาตุแฮโลเจนที่ไวต่อปฏิกิริยามากที่สุดก่อน ตามลำดับ F, Cl, Br, I หากไฮโดรเจนมีไม่พอจับคู่กับอะตอมแฮโลเจนทุกอะตอม แฮโลเจนที่เหลือจะออกมาเป็นก๊าซไดอะตอม เช่น Cl2

ตัวอย่าง: การดุลการเผาไหม้ของโพรเพน

โพรเพน C3H8 เป็นเชื้อเพลิงทั่วไปสำหรับทำความร้อนและประกอบอาหาร การดุลการเผาไหม้ทำได้ดังนี้:

1. เริ่มจากโครงสมการที่ยังไม่ดุล: C3H8 + O2 → CO2 + H2O
2. ดุลคาร์บอนก่อน โพรเพนมีอะตอมคาร์บอน 3 อะตอม จึงเกิด 3 CO2
3. จากนั้นดุลไฮโดรเจน โพรเพนมีอะตอมไฮโดรเจน 8 อะตอม และน้ำแต่ละโมเลกุลมี 2 อะตอม จึงเกิด 4 H2O
4. นับอะตอมออกซิเจนที่ด้านผลิตภัณฑ์ตอนนี้: 3 CO2 ให้อะตอมออกซิเจน 6 อะตอม และ 4 H2O ให้อะตอมออกซิเจน 4 อะตอม รวมเป็น 10 อะตอม เนื่องจาก O2 แต่ละโมเลกุลมีอะตอมออกซิเจน 2 อะตอม จึงต้องใช้ O2 5 โมเลกุล

สมการที่ดุลแล้วคือ:

C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O

สมการนี้ตรงกับสูตรทั่วไปข้างต้น: x = 3 และ y = 8 ดังนั้น x + y/4 = 3 + 2 = 5

สมการการเผาไหม้ทั่วไป

บิวเทนแสดงให้เห็นว่าเหตุใดบางครั้งจึงต้องคูณสารประกอบทั้งชุดด้วยสอง การดุล C4H10 เพียงอย่างเดียวต้องใช้ O2 6.5 ซึ่งเป็นเศษส่วน ดังนั้นจึงคูณสัมประสิทธิ์ทุกตัวในสมการด้วยสองเพื่อให้ทั้งหมดเป็นจำนวนเต็ม

การเผาไหม้อย่างสมบูรณ์กับการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์

การเผาไหม้อย่างสมบูรณ์เกิดขึ้นเมื่อมีออกซิเจนเพียงพอที่จะเปลี่ยนคาร์บอนทั้งหมดเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรเจนทั้งหมดเป็นน้ำ ดังเช่นในสมการข้างต้น การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์เกิดขึ้นเมื่อออกซิเจนมีจำกัด ทำให้เกิดคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) หรือเขม่า (คาร์บอนของแข็ง) แทนคาร์บอนไดออกไซด์ หรือเกิดขึ้นพร้อมกับคาร์บอนไดออกไซด์ การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ปล่อยพลังงานน้อยกว่าและอาจทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ที่เป็นพิษ

คำถามที่พบบ่อย

สูตรสำหรับการเผาไหม้ไฮโดรคาร์บอนอย่างสมบูรณ์คืออะไร CxHy + (x + y/4) O2 → x CO2 + (y/2) H2O โดย x คือจำนวนอะตอมคาร์บอน และ y คือจำนวนอะตอมไฮโดรเจนในเชื้อเพลิง

เหตุใดสมการเคมีจึงต้องดุล กฎทรงมวลระบุว่าอะตอมไม่ถูกสร้างขึ้นหรือทำลายลงในปฏิกิริยาเคมี สมการที่ดุลแล้วมีจำนวนอะตอมแต่ละชนิดเท่ากันทั้งสองข้าง จึงเป็นไปตามกฎนี้

เมื่อสารประกอบที่มีกำมะถันหรือไนโตรเจนเผาไหม้ จะเกิดผลิตภัณฑ์ใด กำมะถันจะกลายเป็นซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) และไนโตรเจนจะกลายเป็นก๊าซไนโตรเจน (N2) นอกเหนือจากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำตามปกติ

โพรเพนต้องใช้ออกซิเจนเท่าใดจึงจะเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ โพรเพนหนึ่งโมเลกุล (C3H8) ต้องใช้โมเลกุลออกซิเจน (O2) 5 โมเลกุลเพื่อเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ โดยผลิต 3 CO2 และ 4 H2O

การเผาไหม้อย่างสมบูรณ์และการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์แตกต่างกันอย่างไร การเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ต้องใช้ออกซิเจนเพียงพอและผลิตเฉพาะคาร์บอนไดออกไซด์กับน้ำ การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์เกิดขึ้นเมื่อออกซิเจนมีน้อยเกินไป และยังผลิตคาร์บอนมอนอกไซด์หรือเขม่าด้วย

เครื่องคำนวณสามารถดุลสูตรของแอลกอฮอล์และน้ำตาลได้หรือไม่ ได้ สูตรจะใช้ได้หากประกอบด้วยคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน กำมะถัน หรือธาตุแฮโลเจน และมีอะตอมคาร์บอนอย่างน้อยหนึ่งอะตอมกับอะตอมไฮโดรเจนอย่างน้อยหนึ่งอะตอม แอลกอฮอล์อย่างเอทานอลและน้ำตาลอย่างกลูโคสอยู่ในกลุ่มที่รองรับ

เหตุใดเครื่องคำนวณจึงปฏิเสธบางสูตรที่มีทั้งคาร์บอนและไฮโดรเจน เชื้อเพลิงอาจมีออกซิเจนอยู่แล้วมากกว่าปริมาณที่จำเป็นต่อการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ CH2O4 เป็นสูตรหนึ่งในกรณีนี้: x + y/4 - z/2 = 1 + 0.5 - 2 = -1.5 ซึ่งเป็นปริมาณออกซิเจนติดลบ เครื่องคำนวณจะแจ้งว่าสารประกอบมีออกซิเจนมากเกินไป แทนที่จะแสดงสัมประสิทธิ์ติดลบ