Номер 4, страница 203 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

4. Почему ароматические углеводороды горят коптящим пламенем?

Решение

Ароматические углеводороды (арены) горят коптящим пламенем из-за очень высокого содержания углерода в их молекулах по сравнению с другими классами углеводородов. Это приводит к тому, что при горении в обычных условиях (на воздухе) происходит неполное сгорание.

Ключевым фактором является высокая массовая доля углерода ($\omega(C)$). Давайте сравним ее для ароматического углеводорода бензола и неароматического углеводорода гексана, у которых одинаковое число атомов углерода.

Массовая доля элемента вычисляется по формуле (используя округленные атомные массы $A_r(C)=12$, $A_r(H)=1$):

$\omega(Э) = \frac{n \cdot A_r(Э)}{M_r(\text{вещества})} \cdot 100\%$

Для бензола ($C_6H_6$):

Относительная молекулярная масса: $M_r(C_6H_6) = 6 \cdot 12 + 6 \cdot 1 = 78$.

Массовая доля углерода: $\omega(C) = \frac{6 \cdot 12}{78} \cdot 100\% \approx 92.3\%$.

Для сравнения, для гексана ($C_6H_{14}$), алкана:

Относительная молекулярная масса: $M_r(C_6H_{14}) = 6 \cdot 12 + 14 \cdot 1 = 86$.

Массовая доля углерода: $\omega(C) = \frac{6 \cdot 12}{86} \cdot 100\% \approx 83.7\%$.

Как видно из расчетов, в бензоле доля углерода значительно выше. Для полного сгорания углеводорода до углекислого газа ($CO_2$) и воды ($H_2O$) требуется большое количество кислорода. Уравнение полного сгорания бензола выглядит так:

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

При горении на воздухе, где концентрация кислорода ограничена (около 21%), его часто не хватает для полного окисления всего углерода. В результате часть углерода не сгорает до $CO_2$, а выделяется в виде мелкодисперсных частиц элементарного углерода — сажи ($C$). Эти раскаленные в пламени частицы сажи и придают ему характерный яркий, но коптящий вид.

Процесс неполного сгорания можно упрощенно представить так:

$C_6H_6 + \text{недостаток } O_2 \rightarrow xC + yCO + zCO_2 + kH_2O$

Таким образом, чем выше содержание углерода в углеводороде, тем больше кислорода требуется для его полного сгорания и тем вероятнее образование сажи при горении в воздушной среде.

Ответ:

Ароматические углеводороды горят коптящим пламенем из-за высокой массовой доли углерода в их молекулах. При горении на воздухе кислорода не хватает для полного окисления, что приводит к неполному сгоранию и образованию частиц сажи (элементарного углерода), которые и создают копоть.