واکنش سوختن واکنشی گرماده است که در آن یک ماده حرارت دیده و با اکسیژن ترکیب می‌شود و می‌سوزد. سوختن به دو نوع سوختن ناقص و سوختن کامل تقسیم می‌شود. در این مطلب از مجله فرادرس درباره واکنش سوختن می‌آموزیم و مثال‌های آن را بررسی می‌کنیم. در ابتدای این مطلب،‌ می‌آموزیم واکنش سوختن چیست و فرمول شیمیایی آن چگونه نوشته می‌شود. سپس مثال‌هایی از این واکنش را بررسی کرده و انواع و کاربردهای این واکنش را توضیح می‌دهیم.

واکنش سوختن

واکنش سوختن واکنشی است که در آن یک ماده با اکسیژن وارد واکنش شده و انرژی را به صورت نور و گرما آزاد می‌کند. در تمامی واکنش‌های سوختن، اکسیژن مولکولی یکی از واکنش‌دهنده‌ها است. این نوع واکنش را می‌توان از دسته واکنش‌های اکسیداسیون و در برخی از موارد واکنش سنتز در نظر گرفت.

بسیاری از واکنش‌های سوختن با یک هیدروکربن به عنوان واکنش‌دهنده (سوخت واکنش) انجام می‌گیرند. هیدروکربن‌ها موادی هستند که ساختمان اصلی مولکول آن‌ها را کربن و هیدروژن تشکیل می‌دهد. فرآورده‌های واکنش سوختن هیدروکربن‌ها، کربن دی اکسید و آب است. بسیاری از هیدروکربن‌ها به عنوان سوخت برای تامین انرژی استفاده می‌شوند.

یادگیری شیمی با فرادرس

سوختن یکی از مهم‌ترین واکنش‌های شیمی است. شناخت واکنش‌های شیمیایی و ویژگی‌های آن‌ها به ما کمک می‌کند از آن‌ها در فرآیندها و کاربردهای مختلف استفاده کنیم. برای شناخت واکنش‌های شیمیایی باید با مواردی مانند اتم، مولکول، سینتیک و ترمودینامیک واکنش‌ها آشنا شوید. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی با این موارد به مجموعه فیلم آموزش دروس شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی مراجعه کنید که با زبانی ساده و کاربردی به توضیح این مسائل می‌پردازد.

همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه شیمی دسترسی داشته باشید.

فرمول واکنش سوختن

سوختن واکنشی است که در آن یک ماده با اکسیژن ترکیب شده و نور و حرارت آزاد می‌کند. فرمول کلی واکنش‌های سوختن به شکل زیر است.

انرژی (نور و حرارت) + ترکیب ماده با اکسیژن (اکسید) <– سوخت + اکسیژن

مثال واکنش سوختن

تشخیص واکنش‌های سوختن بسیار ساده است زیرا ترکیب مولکول دو اتمی اکسیژن در آن همواره به عنوان واکنش‌دهنده حضور دارد. به خصوص اگر ماده سوختنی هیدروکربن باشد، فرآورده‌های واکنش همواره کربن دی اکسید و آب خواهند بود. در ادامه، مثال‌هایی از واکنش‌های سوختن ارائه شده است.

سوختن متان

واکنش سوختن متان به شکل زیر است.

$$text{CH}_4 + 2text{O}_2 rightarrow text{CO}_2 + 2text{H}_2text{O}$$

سوختن نفتالن

واکنش سوختن نفتالین به شکل زیر است.

$$text{C}_{10}text{H}_8 + 12text{O}_2 rightarrow 10text{CO}_2 + 4text{H}_2text{O}$$

سوختن اتان

واکنش سوختن اتان به شکل زیر است.

$$2text{C}_2text{H}_6 + 7text{O}_2 rightarrow 4text{CO}_2 + 6text{H}_2text{O}$$

سوختن متانول

واکنش سوختن متانول به شکل زیر است.

$$2text{CH}_3text{OH}(g) + 3text{O}_2(g) rightarrow 2text{CO}_2(g) + 4text{H}_2text{O}(g)$$

سوختن پروپان

واکنش سوختن پروپان به شکل زیر است.

$$2text{C}_3text{H}_8(g) + 7text{O}_2(g) rightarrow 6text{CO}_2(g) + 8text{H}_2text{O}(g)$$

بیشتر واکنش‌های سوختن از نوع برگشت‌ناپذیر هستند زیرا حداقل یکی از فرآورده‌ها (بخار آب یا گاز کربن دی اکسید و انرژی) از محیط واکنش خارج می‌شود. به همین دلیل نمی‌تواند در جهت عکس انجام شود. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این واکنش‌ها، فیلم آموزش واکنش‌‌های برگشت‌‌پذیر و برگشت‌ناپذیر فرادرس را مشاهده کنید. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

انواع واکنش سوختن

سوختن مانند سایر واکنش‌های شیمیایی نمی‌تواند همواره بازده ۱۰۰ درصدی داشته باشد. گاهی به دلیل محدود بودن یکی از واکنش‌دهنده‌ها، واکنش به شکلی ناقص انجام می گیرد. به همین علت، واکنش‌های سوختن به دو نوع سوختن ناقص و سوختن کامل تقسیم می‌شوند.

سوختن کامل

سوختن کامل که با نام سوختن تمیز یا پاک نیز شناخته می‌شود، واکنشی است که در آن اکسیژن به اندازه کافی وجود داشته باشد. در سوختن هیدروکربن‌ها، واکنش سوختن کامل واکنشی است که فرآورده‌های آن تنها آب و کربن دی اکسید هستند و واکنش به شکلی کامل و برگشت ناپذیر انجام می‌شود. فرمول عمومی سوختن کامل هیدروکربن‌ها به شکل زیر است.

$$text{C}_xtext{H}_y +text{O}_2 rightarrow text{CO}_2 +text{H}_2text{O}$$

سوختن ناقص

سوختن ناقص واکنشی است که در آن اکسیژن کافی برای واکنش دادن با ماده مورد نظر وجود نداشته باشد. در سوختن ناقص هیدروکربن‌ها، کربن مونوکسید یا کربن به شکل دوده نیز به عنوان فرآورده جانبی تولید می‌شود. بسیاری از سوخت‌های فسیلی به شکلی ناقص می‌سوزند. فرمول عمومی سوختن ناقص هیدروکربن‌ها به شکل زیر است.

$$text{C}_xtext{H}_y +text{O}_2 rightarrow text{CO}+text{H}_2text{O}$$

$$text{C}_xtext{H}_y +text{O}_2 rightarrow text{C}+text{H}_2text{O}$$

همچنین دسته‌بندی‌های دیگری نیز بر اساس سرعت سوختن وجود دارد. این دسته بندی‌ها، سوختن سریع، سوختن خودبه‌خودی، سوختن انفجاری و سوختن بدون آتش هستند.

سوختن خودبه خودی

برخی از واکنش‌های اکسیداسیون به اندازه ای حرارت آزاد می‌کنند که بتوانند بدون وجود منبع انرژی خارجی، سوختن را آغاز کنند. برای مثال،‌ فسفر به شکل خودبه‌خودی در هوا می‌سوزد. برخی از فرآیند‌های تخمیر باکتری‌ها نیز سوختن خودبه‌خودی محسوب می‌شوند.

$$P_4 + 5O_2 rightarrow 2P_2O_5$$

بسیاری از واکنش‌های شیمیایی ممکن است به شکل خودبه‌خودی انجام شده و برخی‌دیگر نیاز به انرژی اولیه داشته باشند. به میزان انرژی مورد نیاز برای آغاز واکنش انرژی فعالسازی گفته می‌شود. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی با این مفهوم، مطلب انرژی فعالسازی مجله فرادرس را مطالعه کنید.

سوختن سریع

هنگامی که سوختن همراه با شعله‌های آتش با حرارت و نور باشند، سوختن از نوع سریع است. در بسیاری از کاربردهای واکنش‌های سوختن، از این نوع واکنش استفاده می‌شود.

سوختن بدون آتش

به واکنش‌های سوختن آرام و بدون آتش، سوختن بدون آتش گفته می‌شود. سوختن بدون آتش زمانی اتفاق می‌افتد که سوختن در سطح سوخت جامد انجام شود. به این واکنش، سوختن آهسته نیز گفته می‌شود.

سوختن انفجاری

سوختن انفجاری واکنشی است که در آن سرعت واکنش به اندازه‌ای بالا است که باعث انفجار و انبساط سریع و پرفشار گاز‌های واکنش می‌شود. واکنش‌های سوختن انفجاری معمولا با جرقه زدن موادی که همزمان حاوی هیدروکربن و مولکول‌های اکسید کننده هستند انجام می‌شود.

کاربرد واکنش سوختن

سوختن کاربردهای فراوانی دارد. تا قبل از تولید الکتریسیته، سوختن تنها منبع تولید نور برای انسان‌ها بود. در ادامه این مطلب از مجله فرادرس برخی از کاربردهای سوختن را توضیح می‌دهیم.

• تولید نور: از چراغ‌های پروپان برای تولید نور در زمان نبود برق استفاده می‌شود.
• گرمادهی و پخت و پز: با سوختن چوب، زغال‌سنگ یا گاز طبیعی گرمای مورد نیاز این فعالیت‌ها تولید می‌شود.
• موتور‌های سوختی داخلی: هنگامی‌که سوختن در یک پیستون انجام می‌شود، انبساط گاز‌ها باعث حرکت پیستون و تولید انرژی مکانیکی مورد نیاز می‌شود.
• توربوماشین‌ها: گرمای تولید شده از سوختن را  می‌توان برای چرخاندن توربین موجود در بسیاری از وسایل و تولید انرژی مکانیکی استفاده کرد. انرژی چرخیدن را می‌توان برای فشردن هوا قبل از انجام سوختن استفاده کرد. از این کاربرد در تولید انرژی موشک‌ها، پمپ‌ها و تولید الکتریسیته استفاده می‌شود.
• راندن موشک: هنگامی‌که سوختن انفجاری در یک سمت محفظه سوخت انجام می‌گیرد، می‌تواند به عنوان نیروی محرکه موشک‌ها استفاده شود. موشک‌های سوخت مایع از اکسیژن و یک سوخت مایع برای سوختن استفاده می‌کنند.
• کوره‌های صنعتی: حرارت حاصل از سوختن می‌تواند در فرآیندهای صنعتی نیز استفاده شود. از این حرارت در انجام فرآیندهایی مانند تقطیر یا ذوب مواد استفاده می‌شود. این کوره‌های می‌توانند برای جوشاندن آب و تولید بخار آب برای انتقال حرارت یا تولید انرژی مکانیکی استفاده شوند.

در انتها باید به این نکته هم اشاره کنیم که در بسیاری از این کاربردها، حرارت و انرژی آزاد شده از واکنش، صرف انجام واکنش‌های دیگر یا تولید انواع دیگر انرژی می‌شود.