Exercicis: Reaccions de combustió

A la cuina de gas de casa de la Lucía el butà reacciona amb l'oxigen de l'aire mentre s'escalfa el sopar. Completa l'esquema general d'una combustió completa amb les paraules que falten: «En tota combustió completa, un $\dots$ reacciona amb l'$\dots$ de l'aire i es formen $\dots$ i $\dots$».

Indica quines d'aquestes equacions corresponen a una combustió completa i explica per què:

1. a) $CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow CO_2 + 2\ H_2O$
2. b) $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$
3. c) $C + O_2 \rightarrow CO_2$
4. d) $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

El metà ($CH_4$) és el gas natural que arriba a moltes cuines. Escriu l'equació de la seva combustió completa (els productes són diòxid de carboni i aigua) i iguala-la.

El propà ($C_3H_8$) és el combustible de moltes estufes portàtils i caravanes. Escriu i iguala l'equació de la seva combustió completa.

En acabar una barbacoa, en Jordi cobreix les brases amb sorra i el foc s'apaga. L'esquema de la combustió es pot representar així:

Explica, utilitzant l'esquema de la combustió, quin «ingredient» de la reacció falta en cobrir les brases i per què el foc no pot continuar.

Al laboratori, la flama del bec Bunsen és blava quan l'entrada d'aire està oberta i groga i lluminosa quan està tancada, com es mostra a la figura.

Una d'aquestes dues flames taca de sutge els tubs d'assaig. Digues quina de les dues els taca i explica quin tipus de combustió (completa o incompleta) té lloc en cada cas.

Quan un escalfador de gas funciona en una habitació mal ventilada, la combustió del butà esdevé incompleta. Anomena les dues substàncies que poden formar-se llavors en lloc de diòxid de carboni i explica per què una d'elles és especialment perillosa per a les persones que són a l'habitació.

Un company ha escrit al seu quadern la combustió completa de l'età ($C_2H_6$) així: $2\ C_2H_6 + 7\ O_2 \rightarrow 4\ CO_2 + 6\ H_2O$. Compta els àtoms de carboni, hidrogen i oxigen a cada costat de la fletxa i comprova si l'equació està ben igualada. Justifica la teva resposta.

El butà ($C_4H_{10}$) de les bombones taronges crema amb oxigen formant diòxid de carboni i aigua. Escriu l'equació i iguala-la; t'apareixerà un coeficient fraccionari a l'oxigen que hauràs d'eliminar multiplicant tota l'equació per dos.

Les xemeneies de bioetanol cremen etanol ($C_2H_6O$) produint diòxid de carboni i aigua. Escriu i iguala l'equació de la seva combustió completa. Pista: tingues en compte que la mateixa molècula d'etanol ja porta un àtom d'oxigen.

Un escalfador de gas mal ventilat crema metà ($CH_4$) amb poc oxigen i, en lloc de diòxid de carboni, es forma monòxid de carboni ($CO$), a més d'aigua. Escriu i iguala l'equació d'aquesta combustió incompleta del metà.

L'equació igualada de la combustió del propà és $C_3H_8 + 5\ O_2 \rightarrow 3\ CO_2 + 4\ H_2O$.

1. a) Quantes molècules d'oxigen es necessiten per cremar una molècula de propà?
2. b) Quants mols d'oxigen fan falta per cremar $0,4\ \text{mol}$ de propà?
3. c) Quants mols de diòxid de carboni es formaran en aquest cas?

El carbó d'una barbacoa és gairebé carboni pur i la seva combustió completa és $C + O_2 \rightarrow CO_2$.

1. a) Quants mols de diòxid de carboni es formen en cremar $3\ \text{mol}$ de carboni?
2. b) Les masses molars del carboni i del diòxid de carboni són $12\ \text{g/mol}$ i $44\ \text{g/mol}$, respectivament. Calcula quants grams de $CO_2$ s'emeten en cremar $36\ \text{g}$ de carbó.

Un cotxe de gasolina emet de mitjana $120\ \text{g}$ de $CO_2$ per quilòmetre i un altre dièsel, $105\ \text{g}$ per quilòmetre.

1. a) Calcula les emissions de cadascun en un viatge de $250\ \text{km}$.
2. b) El cotxe de gasolina fa aquest viatge amb $4$ passatgers i el dièsel, un altre dia, només amb el conductor. Calcula les emissions per passatger en cada cas i comenta el resultat.

El sutge que s'acumula a les xemeneies és carboni que no ha arribat a cremar del tot.

1. a) Escriu l'equació igualada de la combustió completa del carboni, que forma diòxid de carboni.
2. b) Escriu l'equació igualada de la seva combustió incompleta quan es forma monòxid de carboni.
3. c) Compara l'oxigen que consumeix cadascuna per cada $2$ àtoms de carboni i explica per què el sutge i el $CO$ apareixen quan l'aire escasseja.

Quan corres, els teus músculs «cremen» glucosa ($C_6H_{12}O_6$) amb l'oxigen que respires, i es formen diòxid de carboni i aigua. És la respiració cel·lular, una combustió lenta dins de les teves cèl·lules. Escriu i iguala l'equació d'aquesta reacció.

Una bombona de càmping gas conté $5,8\ \text{kg}$ de butà ($C_4H_{10}$, massa molar $58\ \text{g/mol}$) i la seva combustió completa és $2\ C_4H_{10} + 13\ O_2 \rightarrow 8\ CO_2 + 10\ H_2O$.

1. a) Calcula els mols de butà que conté la bombona.
2. b) Calcula els mols de $CO_2$ que s'emetran en cremar-la sencera.
3. c) Amb la massa molar del $CO_2$, $44\ \text{g/mol}$, calcula els quilograms de $CO_2$ emesos i comenta per què aquestes emissions preocupen encara que la combustió sigui completa.

El metà pot cremar de dues maneres segons l'oxigen disponible.

1. a) Escriu les equacions igualades de la seva combustió completa (productes $CO_2$ i $H_2O$) i de la seva combustió incompleta quan es forma monòxid de carboni ($CO$) i aigua.
2. b) Calcula quants mols de $O_2$ consumeix cadascuna per cada $2\ \text{mol}$ de metà.
3. c) Utilitzant aquests nombres, explica per què una cuina de gas encesa molta estona en una habitació petita i sense ventilar pot acabar produint monòxid de carboni.

El catalitzador d'un cotxe transforma part dels gasos tòxics del tub d'escapament en d'altres de menys nocius abans de deixar-los anar a l'aire, com es mostra a l'esquema.

Una d'aquestes reaccions és $2\ CO + O_2 \rightarrow 2\ CO_2$.

1. a) Explica què li passa al monòxid de carboni en aquesta reacció i per què millora la qualitat de l'aire de la ciutat.
2. b) Malgrat això, el $CO_2$ que surt de l'escapament continua sent un problema: explica quin.
3. c) Una altra reacció del catalitzador és $2\ NO \rightarrow N_2 + O_2$. Comprova que està igualada i raona per què és beneficiosa per a l'aire que respirem.

Per esbrinar quins productes forma la flama d'una espelma, es fan passar els seus gasos per un tub amb sulfat de coure anhidre, que és blanc, i després es bombollegen en aigua de calç (hidròxid de calci dissolt), com es mostra a la figura.

S'observa que el sulfat de coure es torna blau i que l'aigua de calç es tèrbola.

1. a) Quin producte de la combustió posa de manifest cadascun dels dos canvis observats?
2. b) L'enterboliment es deu a la reacció $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O$, que forma un precipitat blanc de carbonat de calci. Comprova que l'equació està igualada.
3. c) Què pots concloure sobre quins elements conté la cera de l'espelma? Raona la resposta.

El carbó d'algunes centrals tèrmiques conté sofre com a impuresa.

1. a) Escriu i iguala l'equació de la combustió del sofre, en la qual es forma diòxid de sofre ($SO_2$).
2. b) A l'atmosfera, el $SO_2$ reacciona amb l'aigua dels núvols i forma àcid sulfurós ($H_2SO_3$): escriu i iguala aquesta reacció.
3. c) Relaciona aquests fets amb el fenomen de la pluja àcida i explica per què moltes centrals instal·len «desulfuradores» a les seves xemeneies.

Coets com l'Ariane utilitzen hidrogen líquid com a combustible, que crema així: $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$.

1. a) Per què es diu que l'hidrogen és un combustible «net» en el moment de la combustió?
2. b) Calcula quants mols d'aigua es formen en cremar $5\ \text{mol}$ d'hidrogen.
3. c) Avui la major part de l'hidrogen es fabrica a partir de gas natural, en un procés que emet $CO_2$ (hidrogen «gris»), però també pot fabricar-se per electròlisi de l'aigua amb electricitat renovable (hidrogen «verd»). Explica amb quin criteri es distingeix un hidrogen d'un altre i per què només un d'ells ajuda de debò contra el canvi climàtic.

Dos combustibles molt utilitzats són el carbó (gairebé carboni pur) i el gas natural (gairebé metà pur).

1. a) Escriu igualades les combustions completes del carboni i del metà.
2. b) Compara quants mols de $CO_2$ emet cadascun per cada mol de combustible cremat.
3. c) Sabent a més que cremar $1\ \text{mol}$ de metà desprèn força més energia que cremar $1\ \text{mol}$ de carboni, raona per què substituir carbó per gas natural en una central redueix les emissions de $CO_2$ per cada quilowatt hora produït.

Una xemeneia de bioetanol crema $92\ \text{g}$ d'etanol ($C_2H_6O$, massa molar $46\ \text{g/mol}$) en una vetllada.

1. a) Escriu i iguala l'equació de la seva combustió completa.
2. b) Calcula els mols d'etanol cremats i els mols d'oxigen consumits.
3. c) Amb la massa molar del $O_2$, $32\ \text{g/mol}$, calcula la massa d'oxigen que s'ha consumit a la sala i comenta per què el fabricant recomana ventilar l'estança.