Bài học

Carbon và phản ứng cháy

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em kể được các dạng thù hình chính của carbon, viết được phương trình cháy hoàn toàn (tạo CO₂) và cháy không hoàn toàn (tạo CO) của carbon, và giải thích được vì sao đốt than trong phòng kín, thiếu gió là nguy hiểm.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài 1.3 vừa học phi kim + oxygen (đủ) tạo oxide acid, trong đó có $C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$ . Bài này mở rộng: điều gì xảy ra nếu lượng oxygen KHÔNG đủ cho carbon cháy hết?

Bài 1.3 vừa học phi kim + oxygen (đủ) tạo oxide acid, trong đó có $C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$. Bài này mở rộng: điều gì xảy ra nếu lượng oxygen KHÔNG đủ cho carbon cháy hết?

Khởi động

Vì sao khi đốt than trong phòng kín, thiếu gió, người ta khuyến cáo có thể gây ngộ độc, thậm chí tử vong, dù ngọn lửa không hề bốc cháy dữ dội?

Kiến thức trọng tâm

Carbon có ba dạng thù hình phổ biến: kim cương (cứng nhất trong tự nhiên, trong suốt, không dẫn điện, dùng làm mũi khoan, đồ trang sức); than chì (mềm, dẫn điện, dùng làm điện cực, ruột bút chì); và carbon vô định hình (than gỗ, than hoạt tính, muội than — có khả năng hấp phụ tốt, dùng để khử màu, khử mùi, làm mặt nạ phòng độc, khẩu trang than hoạt tính).

Phản ứng cháy của carbon phụ thuộc lượng oxygen được cung cấp. Khi đủ oxygen, carbon cháy hoàn toàn tạo khí carbon dioxide: $C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$ . Khi thiếu oxygen (cháy không hoàn toàn), một phần carbon chỉ bị oxi hoá một nửa, tạo thêm khí carbon monoxide độc: $2C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO$ .

Trong thực tế, khi đốt than hoặc củi trong không gian kín, thiếu gió lưu thông, luôn sinh ra một lượng CO đáng kể bên cạnh CO₂ — đây chính là lí do vì sao đốt than sưởi ấm hoặc nấu nướng trong phòng kín, không thông gió, có thể gây ngộ độc khí than (ngộ độc CO) dẫn đến tử vong mà không có dấu hiệu cảnh báo rõ ràng như khói hay mùi khét.

Ngoài hai dạng cháy vừa nêu, carbon vô định hình còn có một số ứng dụng công nghiệp quan trọng khác: than đá và than cốc (được sản xuất từ than đá bằng cách nung trong điều kiện thiếu không khí) là nguyên liệu chính trong luyện kim — kiến thức em sẽ gặp lại ngay ở bài tiếp theo về khí CO. Vì carbon monoxide không màu, không mùi và cực độc, các gia đình hiện đại thường được khuyến nghị lắp thiết bị báo khí CO trong nhà, đặc biệt ở nơi đặt bếp than, lò sưởi, hoặc máy phát điện chạy xăng dầu, để phát hiện sớm nguy cơ rò rỉ khí độc mà mắt thường và mũi không thể nhận ra.

Xét về mặt năng lượng, phản ứng cháy hoàn toàn của carbon toả ra nhiều nhiệt hơn hẳn so với cháy không hoàn toàn, vì trong sản phẩm CO vẫn còn "giữ lại" một phần năng lượng chưa được giải phóng (bản thân CO còn có thể cháy tiếp để tạo CO₂). Đây là lý do các bếp than, lò sưởi cần thiết kế để cung cấp đủ không khí (oxygen) cho quá trình cháy: vừa để đốt cháy hiệu quả, tiết kiệm nhiên liệu, vừa để hạn chế tối đa lượng khí CO độc sinh ra.

Carbon có ba **dạng thù hình** phổ biến: **kim cương** (cứng nhất trong tự nhiên, trong suốt, không dẫn điện, dùng làm mũi khoan, đồ trang sức); **than chì** (mềm, dẫn điện, dùng làm điện cực, ruột bút chì); và **carbon vô định hình** (than gỗ, than hoạt tính, muội than — có khả năng hấp phụ tốt, dùng để khử màu, khử mùi, làm mặt nạ phòng độc, khẩu trang than hoạt tính). Phản ứng cháy của carbon phụ thuộc **lượng oxygen** được cung cấp. Khi **đủ oxygen**, carbon cháy hoàn toàn tạo khí carbon dioxide: $C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$. Khi **thiếu oxygen** (cháy không hoàn toàn), một phần carbon chỉ bị oxi hoá một nửa, tạo thêm khí carbon monoxide độc: $2C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO$. Trong thực tế, khi đốt than hoặc củi trong không gian kín, thiếu gió lưu thông, luôn sinh ra một lượng CO đáng kể bên cạnh CO₂ — đây chính là lí do vì sao đốt than sưởi ấm hoặc nấu nướng trong phòng kín, không thông gió, có thể gây ngộ độc khí than (ngộ độc CO) dẫn đến tử vong mà không có dấu hiệu cảnh báo rõ ràng như khói hay mùi khét. Ngoài hai dạng cháy vừa nêu, carbon vô định hình còn có một số ứng dụng công nghiệp quan trọng khác: than đá và than cốc (được sản xuất từ than đá bằng cách nung trong điều kiện thiếu không khí) là nguyên liệu chính trong luyện kim — kiến thức em sẽ gặp lại ngay ở bài tiếp theo về khí CO. Vì carbon monoxide không màu, không mùi và cực độc, các gia đình hiện đại thường được khuyến nghị lắp thiết bị báo khí CO trong nhà, đặc biệt ở nơi đặt bếp than, lò sưởi, hoặc máy phát điện chạy xăng dầu, để phát hiện sớm nguy cơ rò rỉ khí độc mà mắt thường và mũi không thể nhận ra. Xét về mặt năng lượng, phản ứng cháy hoàn toàn của carbon toả ra nhiều nhiệt hơn hẳn so với cháy không hoàn toàn, vì trong sản phẩm CO vẫn còn "giữ lại" một phần năng lượng chưa được giải phóng (bản thân CO còn có thể cháy tiếp để tạo CO₂). Đây là lý do các bếp than, lò sưởi cần thiết kế để cung cấp đủ không khí (oxygen) cho quá trình cháy: vừa để đốt cháy hiệu quả, tiết kiệm nhiên liệu, vừa để hạn chế tối đa lượng khí CO độc sinh ra.

So với 1 mol

O_2

cần cho phản ứng cháy hoàn toàn (

C + O_2 \to CO_2

), phản ứng cháy không hoàn toàn (

2C + O_2 \to 2CO

) chỉ cần 0,5 mol

O_2

cho cùng 1 mol carbon — đúng như tên gọi "thiếu oxygen".So với 1 mol $O_2$ cần cho phản ứng cháy hoàn toàn ($C + O_2 \to CO_2$), phản ứng cháy không hoàn toàn ($2C + O_2 \to 2CO$) chỉ cần 0,5 mol $O_2$ cho cùng 1 mol carbon — đúng như tên gọi "thiếu oxygen".

Ví dụ

Viết phương trình cháy hoàn toàn và không hoàn toàn của carbon

1
Viết phương trình hoá học khi carbon cháy trong điều kiện đủ oxygen và trong điều kiện thiếu oxygen. Nêu tên và tính chất của mỗi sản phẩm.
2
$C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$ . Sản phẩm là carbon dioxide, khí không màu, không cháy được, không duy trì sự cháy.
$C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$. Sản phẩm là carbon dioxide, khí không màu, không cháy được, không duy trì sự cháy.
3
$2C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO$ . Sản phẩm là carbon monoxide, khí không màu, KHÔNG MÙI, rất độc, và bản thân CO vẫn cháy được: $2CO + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO_2$ nếu sau đó gặp đủ oxygen.
$2C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO$. Sản phẩm là carbon monoxide, khí không màu, KHÔNG MÙI, rất độc, và bản thân CO vẫn cháy được: $2CO + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO_2$ nếu sau đó gặp đủ oxygen.
4
Không phải "thiếu oxygen thì carbon không cháy" — carbon vẫn cháy nhưng sinh ra sản phẩm khác, nguy hiểm hơn vì CO độc và khó phát hiện.

Ví dụ

Tính thể tích khí sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn carbon

1
Đốt cháy hoàn toàn 6 gam carbon trong khí oxygen dư (đkc: 25 °C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol). Tính thể tích khí CO₂ sinh ra và thể tích khí oxygen đã dùng.
Đốt cháy hoàn toàn 6 gam carbon trong khí oxygen dư (đkc: 25 °C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol). Tính thể tích khí CO₂ sinh ra và thể tích khí oxygen đã dùng.
2
$n(C) = \dfrac{6}{12} = 0{,}5$ mol.
$n(C) = \dfrac{6}{12} = 0{,}5$ mol.
3
$C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$ . Theo phương trình, $n(O_2) = n(CO_2) = n(C) = 0{,}5$ mol.
$C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$. Theo phương trình, $n(O_2) = n(CO_2) = n(C) = 0{,}5$ mol.
4
$V(CO_2) = V(O_2) = 0{,}5 \times 24{,}79 = 12{,}395 \approx 12{,}40$ lít.
$V(CO_2) = V(O_2) = 0{,}5 \times 24{,}79 = 12{,}395 \approx 12{,}40$ lít.
5
Vì phản ứng cháy hoàn toàn có tỉ lệ mol $C:O_2:CO_2 = 1:1:1$ , thể tích khí oxygen tiêu thụ luôn bằng thể tích khí $CO_2$ sinh ra ở cùng điều kiện — một điểm đặc biệt chỉ đúng cho phản ứng cháy hoàn toàn của carbon, không đúng cho phản ứng cháy không hoàn toàn.
Vì phản ứng cháy hoàn toàn có tỉ lệ mol $C:O_2:CO_2 = 1:1:1$, thể tích khí oxygen tiêu thụ luôn bằng thể tích khí $CO_2$ sinh ra ở cùng điều kiện — một điểm đặc biệt chỉ đúng cho phản ứng cháy hoàn toàn của carbon, không đúng cho phản ứng cháy không hoàn toàn.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay nghĩ "thiếu oxygen thì carbon không cháy được, chỉ có khói". Thực tế carbon vẫn cháy khi thiếu oxygen, chỉ là sản phẩm khác đi — thành khí CO độc, không mùi, cực kỳ nguy hiểm vì khó phát hiện bằng giác quan. Một sai lầm khác là quên rằng cả hai phương trình cháy hoàn toàn và không hoàn toàn đều có thể xảy ra ĐỒNG THỜI trong cùng một đám cháy thực tế, tuỳ vùng nào đủ hay thiếu oxygen — không nhất thiết chỉ một trong hai.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Carbon có 3 dạng thù hình: kim cương, than chì, carbon vô định hình. Cháy đủ oxygen → CO₂; cháy thiếu oxygen → thêm khí CO độc, không mùi — nguy hiểm khi đốt than trong không gian kín.

Bài tiếp theo tìm hiểu kỹ hơn về khí CO vừa xuất hiện ở đây: tính chất, khả năng khử oxide kim loại, và ứng dụng quan trọng trong luyện gang thép.