Номер 7, страница 61 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

7. Почему ароматические углеводороды горят коптящим пламенем?

Решение

Ароматические углеводороды горят коптящим пламенем по нескольким взаимосвязанным причинам, главной из которых является высокое массовое содержание углерода в их молекулах.

Основная причина — высокая массовая доля углерода. В молекулах ароматических углеводородов, по сравнению с другими классами углеводородов (например, алканами), содержится относительно мало атомов водорода по сравнению с атомами углерода. Это приводит к высокой массовой доле углерода ($\omega(C)$). Давайте сравним:

• Метан ($CH_4$, алкан): $\omega(C) \approx 75\%$
• Этен ($C_2H_4$, алкен): $\omega(C) \approx 85.7\%$
• Бензол ($C_6H_6$, арен): $\omega(C) \approx 92.3\%$
• Ацетилен ($C_2H_2$, алкин): $\omega(C) \approx 92.3\%$

Как видно, у бензола, простейшего ароматического углеводорода, массовая доля углерода такая же высокая, как у ацетилена, который известен своим ярким и очень коптящим пламенем. Для полного сжигания такого большого количества углерода до углекислого газа ($CO_2$) требуется значительное количество кислорода.

Вторая причина — недостаток кислорода и неполное сгорание. Реакция полного сгорания бензола выглядит так:

$2C_6H_6 + 15O_2 \rightarrow 12CO_2 + 6H_2O$

При горении на открытом воздухе, где концентрация кислорода составляет около $21\%$, его поступление в зону горения часто бывает недостаточным для окисления всего углерода. В результате происходит неполное сгорание, и вместо углекислого газа образуются мелкодисперсные частицы чистого углерода — сажа ($C$), а также угарный газ ($CO$). Именно эти раскаленные в пламени частицы сажи делают его светящимся и коптящим.

Третья причина — термическая устойчивость ароматического кольца. Бензольное кольцо — очень стабильная структура. При высоких температурах в пламени и недостатке кислорода происходит не столько распад молекул на атомы, сколько их термическая полимеризация. Устойчивые ароматические фрагменты могут объединяться, образуя более крупные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые являются предшественниками частиц сажи. Этот процесс дополнительно способствует образованию копоти.

Ответ: Ароматические углеводороды горят коптящим пламенем из-за очень высокой массовой доли углерода в их молекулах. При горении в обычных условиях на воздухе кислорода не хватает для полного окисления всего углерода до $CO_2$, что приводит к неполному сгоранию с образованием раскаленных частиц несгоревшего углерода (сажи), которые и создают копоть.