Какой объём воздуха расходуется при полном сгорании одного литра метана при нормальных условиях?

При полном сгорании метана ((CH_4)) происходит реакция с кислородом ((O_2)), в результате которой образуются углекислый газ ((CO_2)) и вода ((H_2O)). Уравнение реакции сгорания метана выглядит следующим образом:

[ CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O ]

Из уравнения видно, что на одно молекулу метана требуется две молекулы кислорода для полного сгорания.

Теперь давайте разберёмся с расчетом объёма газа. При нормальных условиях (нормальная температура и давление, НТП, обычно принимаются как 0 °C и 1 атмосфера) 1 моль любого газа занимает объём 22,4 литра.

1. Определение количества молей метана в 1 литре:

   • Молярная масса метана составляет примерно 16 г/моль.
   • Плотность метана при нормальных условиях составляет примерно 0,717 г/л.
   • Следовательно, в 1 литре метана содержится около (0,717) г метана.

   Количество молей метана в 1 литре: [ n_{CH_4} = \frac{0,717 \, \text{г}}{16 \, \text{г/моль}} \approx 0,0446 \, \text{моль} ]

2. Количество кислорода, необходимое для сгорания:

   • Для полного сгорания 1 моль метана требуется 2 моль кислорода.
   • Следовательно, для 0,0446 моль метана потребуется: [ n_{O2} = 2 \times n{CH_4} = 2 \times 0,0446 \, \text{моль} \approx 0,0892 \, \text{моль} ]

3. Объём кислорода при НТП:

   • Объём кислорода, необходимого для сгорания метана, можно вычислить, используя тот факт, что 1 моль газа занимает 22,4 л: [ V_{O2} = n{O_2} \times 22,4 \, \text{л/моль} \approx 0,0892 \, \text{моль} \times 22,4 \, \text{л/моль} \approx 2,00 \, \text{л} ]

Таким образом, при полном сгорании одного литра метана при нормальных условиях расходуется примерно 2 литра воздуха. Однако стоит учитывать, что воздух состоит не только из кислорода, но и из других газов, в основном азота. Около 21% объема воздуха составляет кислород, что означает, что фактический объём воздуха, необходимый для сгорания метана, будет больше:

[ V_{\text{воздуха}} \approx \frac{2 \, \text{л}}{0,21} \approx 9,52 \, \text{л} ]

Таким образом, для полного сгорания одного литра метана при нормальных условиях потребуется около 9,52 литра воздуха.

При полном сгорании одного литра метана ((CH_4)) в нормальных условиях (температура 0°C и давление 1 атм) расходуется определённый объём воздуха. Чтобы ответить на этот вопрос, сначала разберём химическую реакцию и расчёты.

Уравнение реакции полного сгорания метана:

[ CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O ]

Эта реакция показывает, что для полного сгорания одной молекулы метана требуется две молекулы кислорода ((O_2)). Выделяется одна молекула углекислого газа ((CO_2)) и две молекулы воды ((H_2O)).

Расчёт кислорода:

При нормальных условиях (0°C и 1 атм) 1 моль газа занимает объём 22,4 литра. Поскольку по уравнению реакции на 1 моль метана ((CH_4)) требуется 2 моля кислорода ((O_2)), то для полного сгорания 1 литра метана потребуется:

[ V_{O_2} = 1 \, \text{л} \times 2 = 2 \, \text{л кислорода}. ]

Учёт состава воздуха:

Воздух состоит примерно на 21% из кислорода ((O_2)) и на 79% из других газов (в основном азота). Для получения 2 литров кислорода из воздуха необходимо взять большее количество воздуха, которое будет содержать нужное количество кислорода.

Объём воздуха рассчитывается так:

[ V{\text{воздуха}} = \frac{V{O_2}}{0{,}21}, ]

где (0{,}21) — доля кислорода в воздухе.

Подставим значения:

[ V_{\text{воздуха}} = \frac{2 \, \text{л}}{0{,}21} \approx 9{,}52 \, \text{л}. ]

Ответ:

Для полного сгорания 1 литра метана при нормальных условиях требуется примерно 9,52 литра воздуха.