Prezentowane zadania oparte są na błędnym założeniu. Żeby zrozumieć dlaczego te zadania są błędne to musimy sobie odpowiedzieć na pytanie: co to jest węgiel?
Odpowiemy zapewne, że pierwiastek chemiczny, liczba atomowa 6, drugi okres… Tak, gdy mamy na myśli pierwiastek, to mamy rację. Spalając pierwiastek węgiel otrzymujemy CO2.
Ale nazwę węgiel nosi także kopalina – skała osadowa. Wg podręcznikowych informacji zawiera do 97% pierwiastka węgla.
A jednak:
Węgiel, który mamy w piwnicy, nie jest pierwiastkiem węglem!
To jest właśnie źródłem zamieszania. Węgiel kamienny to skomplikowana mieszanina różnych substancji chemicznych. Węgiel kamienny zawiera pewną ilość wolnego pierwiastka węgla – mniej więcej połowę masy. Stąd zresztą kolor czarny. Jak to się ma do tych podręcznikowych informacji? Informacja, że może zawierać do 97% węgla (przeważnie zawiera znacznie mniej) dotyczy nie wolnego pierwiastka, tylko węgla ogółem. Tak jak sól kuchenna to nie jest mieszanina sodu i chloru, tak węgiel kamienny nie jest pierwiastkiem węglem, choć pewną ilość pierwiastkowego węgla zawiera. Czy spalając węgiel kamienny w piecu otrzymujemy CO2? No też, ale oprócz tego parę wodną, SO2, tlenki azotu i inne związki, które w reakcji spalania pierwiastka węgla powstać nie mogły. O ile obecność tlenków azotu w spalinach da się wyjaśnić wysokotemperaturową reakcją tlenu i azotu z powietrza, o tyle SO2 już nie… Skała ta zawiera różne substancje organiczne: związki siarki, azotu, tlenu i w mniejszych ilościach związki innych pierwiastków. BO TO NIE JEST PIERWIASTEK WĘGIEL. Wysoka zawartość węgla ogółem wynika z tego, że są to związki o dużym stopniu nienasycenia, ze skondensowanymi pierścieniami aromatycznymi itd. A oprócz nich są domeny grafitowe lub węgla bezpostaciowego. Spalając węgiel kamienny spalamy i ten pierwiastek i związki organiczne. Na Wikipedii znajdujemy taki obrazek przedstawiający w dużym uproszczeniu fragment struktury węgla kamiennego:
Na tym rysunku nie ma co prawda uwzględnionych jakichś struktur grafitopodobnych czy węgla bezpostaciowego, choć widzimy skondensowane pierścienie aromatyczne. W trakcie procesu uwęglania przybywa takich skondensowanych struktur. Ale odpowiedzmy sobie sami: czy patrząc na wzór węglowodoru o kilku skoncentrowanych pierścieniach aromatycznych, np. czterech, jak to ma miejsce w tetracenie, powiemy że to jest wzór pierwiastka węgla? Jeśli napiszę O2 albo narysuję wzór strukturalny tej cząsteczki to tak, jest to wzór tlenu. Ale wzór tetracenu to wzór węgla?
Już bardziej o sadzy lub o węglu drzewnym można powiedzieć, że to zanieczyszczony pierwiastek węgiel bezpostaciowy, niż o węglu kamiennym. A już nie daj Boże mówic tak o węglu brunatnym lub torfie.
Ot, cukier biały (sacharoza) zawiera 42,1% „czystego węgla”. W końcu to WĘGLOwodan. To dlaczego to nie jest cukier czarny? No właśnie. Oczywiście możemy sobie zrobić mieszankę cukru z sadzą i otrzymać coś nieco zbliżonego do węgla kamiennego, ale ta mieszanina to nadal nie pierwiastek węgiel.
Jeśli wezmę cukier i podgrzeję, to go sobie termicznie rozłożę na węgiel i parę wodną:
Jeśli całkowitemu rozkładowi poddamy 100 g cukru to otrzymamy 42,1 g węgla.
Skoro w 100 g cukru jest 42,1 g węgla to policzmy ile ciepła otrzymamy ze spalenia 100 g cukru w stanie standardowym:
UWAGA! OBLICZENIA SĄ OPARTE NA TYM SAMYM ZAŁOŻENIU, KTÓRYMI POSŁUŻYŁ SIĘ AUTOR ZADAŃ!
12 g C → 393,5 kJ (autor zadania podał 400 kJ, ale tablicowa wartość to 393,5 kJ)
42,1 g C → x
x = 1381 kJ
tymczasem spalając 100 g cukru białego otrzymujemy 1649 kJ ciepła. Bo spalając cukier zamiast reakcji opisanej równaniem:
Pierwiastek węgiel tworzy różne odmiany alotropowe. I każda ma nieco inny efekt energetyczny spalania. Zadanie zadanie zawiera informację o efekcie energetycznym spalania węgla, ale warto by jeszcze doprecyzować, którą mamy na myśli. Domyślnie jest to grafit, ale węgiel kamienny zawiera trochę struktur grafitowych oraz bezpostaciowych.
Czy zwróciliśmy uwagę na to, że w języku angielskim mamy 2 słowa określające, na co po polsku mówimy węgiel? To co mamy w piwnicy nazywa się coal (black coal). A pierwiastek chemiczny to carbon. Takie rozróżnienie ma swoje uzasadnienie. Stosują je nawet najbliżsi językowo do nas Czesi i Słowacy. Węgiel jako kopalina to uhli/uhlie, co po polsku możnaby przetłumaczyć na węgle albo wągli. A pierwiastek to w obu językach uhlik. Cóż, spotkałem w życiu osoby na Górnym Śląsku, które mówiły wągli, a nie węgiel czy słynne wungiel. A Słoweńcy nazwę pierwiastka ogljik utworzyli od słowa oglje, co w ichniejszym języku oznacza węgiel drzewny… A węgiel kamienny to w języku słoweńskim premog. Takie rozróżnienie spotykane jest chyba znacznej większości języków. A może i we wszystkich poza Polskim? Aż tak obyty nie jestem, ale nawet nawet Niemcy mają Kohle i Kohlenstoff. A! I po łacinie jest carbo i carbonium. Po polsku to trochę jakbyśmy nie odróżniali tlenu od powietrza. Jednak takie rozróżnienie pojawia się w polskim nazewnictwie: glin i glina. Niemiecką nazwę pierwiastka można tłumaczyć jako substancja tworząca węgiel. Zacząłem się zastanawiać, jak by można nazwać po polsku pierwiastek. Może węglik? Węglak? Węglarz? Węgleń? A może tak wg starej tradycji: węgloród? skoro był wodoród, który stał się wodorem... Węgloród, węglór? A może węglotwór? Czeskie i słowackie uhlik to po prostu węglik/węgielek. Mielibyśmy więc węglik i węgliczki, czyli związki węglika z innymi pierwiastkami. A może nazwę pierwiastka zostawić w spokoju, a zmienić nazwę kopaliny z węgiel kamienny na kamień węgielny? To brzmi ciekawie i bardziej pasowałoby do rzeczywistości.
Węgiel jako pierwiastek występuje w przyrodzie. To diamenty i grafit...
Polskie nazewnictwo chemiczne w wielu przypadkach wprowadza spore zamieszanie i jak widać – potrafi wprowadzać w błąd. Może pora pomyśleć o pewnych zmianach, które wszystkim ułatwią życie? I przestaną wprowadzać błędne myślenie? Bo pewne perypetie edukacyjne są tylko domeną polskiego szkolnictwa… Nie bez powodu.
Takie przeliczenia jak chciał autor zadania oczywiście się wykonuje, tylko autor błędnie do tego podszedł. W niedalekiej przyszłości zapraszam do zmierzenia się ze swoją propozycją podobnego zadania, ale po pewnej korekcie.