В рамках курса органической химии тема сгорание углеводородов является одной из базовых и очень практически значимых. Под сгоранием обычно понимают окислительную реакцию, в которой углеводород (соединение, состоящее только из атомов углерода и водорода) реагирует с кислородом воздуха с образованием оксидов углерода и воды и выделением большого количества тепла. Для школьника важно понять не только формулы реакций, но и алгоритм их составления, стехиометрию, причины неполного сгорания и экологические последствия. В этом объяснении я даю подробные шаги решения задач, примеры и полезные практические замечания.

Общая формула реакции полного сгорания углеводорода CxHy имеет вид:

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

Это выражение следует из того, что каждый атом углерода при полном окислении даёт одну молекулу CO2, а каждые два атома водорода — одну молекулу воды. Коэффициент при O2 вычисляется так, чтобы уравнять количество атомов кислорода в продуктах: в правой части требуется 2x (в CO2) + y/1 (в H2O) атомов кислорода, то есть суммарно 2x + y, а каждая молекула O2 содержит 2 атома кислорода, откуда на O2 идёт (2x + y)/2 = x + y/4 молей O2.

Пример полного сгорания: пропан C3H8. Подставляем x = 3, y = 8 в общую формулу и получаем уравнение:

C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O

Проверка выполнения стехиометрии: слева 3 C и 8 H, справа 3 C и 8 H; кислород слева 10 атомов (5·2), справа 3·2 + 4·1·1 = 10 — всё согласовано. Такой способ составления уравнения — стандартный при решении задач: записали формулу углеводорода, рассчитали молярную потребность в O2 и балансировали продукты CO2 и H2O.

Важно различать полное и неполное сгорание. При нехватке кислорода или при низкой температуре часть углерода может окисляться до монооксида углерода CO или в виде элементарного углерода — сажи (C). Примеры неполного сгорания:

• 2 C3H8 + 7 O2 → 6 CO + 8 H2O (пример образования CO)
• C3H8 + 2 O2 → 3 C + 4 H2O (пример образования сажи)

Наличие дыма, желтоватого пламени и запаха — признак неполного сгорания. CO — особенно опасен, так как бесцветен, не имеет запаха и токсичен; он связывается с гемоглобином, нарушая перенос кислорода в крови.

Алгоритм решения стехиометрических задач по сгоранию обычно такой:

1. Записать формулу горючего (CxHy), подставить x и y в общее уравнение.
2. Составить уравнение реакции и проверить баланс по элементам.
3. Перевести массы в количество вещества (моли), используя молярную массу.
4. По мольным соотношениям определить потребление O2 и выход продуктов (moles или объемы для газов).
5. При необходимости перевести моли газов в объемы по закону идеального газа (на уроках часто используют 22,4 л/моль при н.у.).
6. Учесть практические параметры: если рассматривают воздух, дать учёт состава воздуха (приблизительно 21 % O2 по объёму ⇒ 1 моль O2 соответствует ≈4,76 моль воздуха).

Приведу подробный числовой пример — задача типичная для контрольной. Условие: сколько литров кислорода потребуется для полного сгорания 2,00 г пропана (C3H8) при н.у., и сколько литров CO2 образуется?

1. Молярная масса пропана: M(C3H8) ≈ 44,1 г/моль (можно взять 44 г/моль в школьных задачах). Количество вещества n = m / M = 2,00 / 44,1 ≈ 0,04535 моль.
2. По уравнению C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O на 1 моль C3H8 требуется 5 моль O2, образуется 3 моль CO2. Значит для n молей пропана O2 требуется 5·n ≈ 0,2268 моль O2, а CO2 образуется 3·n ≈ 0,1361 моль.
3. Перевод в объемы при н.у. (22,4 л/моль): V(O2) = 0,2268·22,4 ≈ 5,08 л; V(CO2) = 0,1361·22,4 ≈ 3,05 л.
4. Если надо узнать объем воздуха: V(воздуха) = V(O2) / 0,21 ≈ 5,08 / 0,21 ≈ 24,2 л воздуха (приблизительно).

Такой полный расчёт показывает, как переходят от массы к молям и дальше к объёмам — это стандартный набор при решении задач по сгоранию.

Следующий важный аспект — тепловой эффект реакции, или энтальпия сгорания. Для многих углеводородов (например, метан, пропан, октан) в таблицах приводится стандартная энтальпия сгорания ΔH°c (обычно отрицательная величина, так как процесс экзотермический). Для практических расчётов используется правило Гесса: энтальпия реакции = сумма энтальпий образования продуктов − сумма энтальпий образования реагентов. Пример: стандартная энтальпия сгорания метана CH4 ≈ −890 кДж/моль. Это означает, что при сгорании 1 моля метана выделяется примерно 890 кДж тепла. В задачах на энергетический расчёт нужно умножить это значение на количество молей топлива.

Экологические и практические последствия горения углеводородов заслуживают отдельного внимания. При полном сгорании образуется CO2 — основной антропогенный парниковый газ; при неполном — CO и сажевые частицы, способствующие отравлениям и проблемам дыхательной системы. При высоких температурах в присутствии азота воздуха образуются оксиды азота (NOx), вклад которых в образование смога и кислотных дождей значителен. В технике соблюдается понятие стехиометрического соотношения «воздух/топливо» и параметр λ (лямбда), показывающий избыток воздуха: λ = 1 — стехиометрически точное горение, λ > 1 — избыток воздуха (чистота сгорания растёт), λ < 1 — дефицит O2 (повышается риск CO и сажи).

Наконец, практические советы и контрольные приёмы, которые преподаватель обычно подсказывает при лабораторных опытах: для обнаружения CO2 используют молочный раствор извести (Ca(OH)2) — выделение CO2 даёт помутнение (появление CaCO3); наличие сажи проявляется в виде чёрного налёта на стенках сосуда и желтого/оранжевого пламени; появление запаха и головокружение при недостаточной вентиляции — повод немедленно прекратить эксперимент (возможно отравление CO). При вычислениях всегда проверяйте единицы, используйте молярные массы и не забывайте, что данные по энтальпии даны на 1 моль вещества.

Подытоживая, ключевые понятия, которые нужно усвоить: уравнение полного сгорания (CxHy → CO2 + H2O), понятия полного и неполного сгорания, алгоритм решения задач (переход масса→моль→объём), роль воздуха и расчёт теоретического расхода, а также экологические последствия (CO2, CO, сажа, NOx). Эти знания не только необходимы для успешной учёбы, но и для понимания того, как работают двигатели, котельные установки и почему важна эффективная и чистая сгораемость топлива.