Vì sao đốt 10 cân than mà chỉ còn lại 1 cân tro?

Trong cuộc sống hàng ngày của con người, chúng ta thường gặp phải tình huống một số vật liệu dường như biến mất, chẳng hạn như than đá bị đốt cháy chỉ còn lại một đống tro tàn. Vậy, quá trình "biến mất" này là gì?

Định luật bảo toàn vật chất

Định luật bảo toàn vật chất phát biểu rằng lượng vật chất trong bất kỳ hệ kín nào luôn không đổi. Định luật này có nghĩa là vật chất không thể tự mất đi cũng như không thể tự tăng lên. Nói cách khác, vật chất trong tự nhiên luôn không thay đổi, nhưng nó sẽ chuyển hóa giữa các dạng khác nhau.

Vật chất sẽ không biến mất dựa trên "Định luật bảo toàn vật chất". Theo định luật này, vật chất không tự sinh ra cũng như không tự mất đi hoàn toàn mà chỉ chuyển hóa thành các dạng khác.

Ví dụ, trong một phản ứng hóa học, sự hình thành và phá vỡ liên kết hóa học sẽ gây ra sự sắp xếp lại của các loại hóa chất, nhưng tổng khối lượng sẽ không thay đổi.

Trong tự nhiên, các chất không mất đi mà chuyển hóa thành dạng khác
Trong vật lý, định luật bảo toàn là các định luật có nội dung: đại lượng vật lý trong hệ kín qua các quá trình khác nhau hay tác động tương tác không thay đổi.

Tương tự như vậy, trong tự nhiên, các chất không mất đi mà chuyển hóa thành dạng khác thông qua các biến đổi hóa học, vật lý, chẳng hạn nước có thể bay hơi thành hơi nước nhưng số phân tử nước của nó vẫn không đổi, tuy nhiên hình thái lại thay đổi. Do đó, định luật bảo toàn vật chất là một trong những định luật cơ bản nhất trong tự nhiên.

Lúc này, có người có thể nghĩ, nếu mình ăn một đĩa cơm nấu chín, làm sao chất trong cơm không mất đi?

Trên thực tế, chất của bữa ăn không biến mất mà được cơ thể chúng ta hấp thụ và sử dụng trong quá trình tiêu hóa, trở thành chất dinh dưỡng, khí và chất lỏng cần thiết cho cơ thể con người, cuối cùng những thứ còn lại sẽ được bài tiết ra ngoài dưới nhiều hình thức khác nhau. Trong quá trình này, lượng gạo nguyên chất vẫn sẽ không thay đổi.

Tại sao đốt 10 cân than chỉ còn 1 cân tro, than biến mất đi đâu?

Than đá được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp như dệt may, chế biến thực phẩm, sản xuất điện...

Trong quá trình đốt cháy than, than sẽ dần dần bị oxy hóa, mất năng lượng liên kết hóa học và giải phóng nhiệt năng.

Hydro trong than kết hợp với oxy để tạo thành hơi nước, carbon kết hợp với oxy để tạo thành carbon dioxide, lưu huỳnh và các tạp chất khác trong than cũng tạo ra các hợp chất khác trong quá trình đốt cháy. Tổng lượng của các hợp chất này là bất biến đối với khối lượng của than.

Trong tự nhiên, vật chất không mất đi mà chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. Điều này là do sự tồn tại của định luật bảo toàn. Trong quá trình đốt cháy than, carbon, hydro và các nguyên tố khác trong than sẽ không biến mất, chúng chỉ được giải phóng vào không khí dưới dạng khí, đồng thời giải phóng một lượng lớn năng lượng nhiệt.

Sau khi than cháy hết, chỉ còn lại một đống tro tàn. Trên thực tế, tro này là tạp chất trong than, chẳng hạn như khoáng chất và các nguyên tố kim loại. Các tạp chất này được tách ra ở nhiệt độ cao trong quá trình đốt than để tạo thành một chất giống như tro.

Do đó, chỉ còn lại một đống tro sau khi than cháy, điều đó không có nghĩa là chất của than đã biến mất.

Trên thực tế, các nguyên tố như carbon và hydro trong than vẫn tồn tại trong quá trình đốt cháy, và chúng chỉ chuyển hóa thành các chất khí như carbon dioxide và nước, và một phần năng lượng nhiệt được giải phóng vào không khí.

Sau khi than cháy, chỉ còn lại một đống tro, thực chất được hình thành do quá trình tách tạp chất trong than ở nhiệt độ cao. Điều này cho ta một ví dụ tương đối trực quan, minh họa quá trình biến đổi của vật chất trong tự nhiên và tầm quan trọng của định luật bảo toàn vật chất.

Thành phần hoá học trong nhiên liệu than đá

Carbon là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn, nhiệt lượng phát ra khi cháy của 1 kg carbon gọi là nhiệt trị. Vì vậy lượng carbon trong nhiên liệu càng nhiều thì nhiệt trị của nhiên liệu càng cao. Tuổi hình thành nhiên liệu càng già thì thành phần carbon càng cao, song khi ấy độ liên kết của than càng lớn nên than càng khó cháy.
Hydro (hay còn được gọi là hydrogen) là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn, khi cháy toả ra nhiệt lượng 144.500 kj/kg. Nhưng lượng hydrogen có trong thiên nhiên rất ít.
Lưu huỳnh là thành phần cháy trong nhiên liệu. Trong than đá lưu huỳnh tồn tại dưới ba dạng: liên kết hữu cơ Shc, khoáng chất Sk, liên kết sunfat Ss.

Lưu huỳnh hữu cơ và khoáng chất có thể tham gia quá trình cháy gọi là lưu huỳnh cháy Sc.

Trong khi đó, lưu huỳnh sunfat thường nằm dưới dạng CaSO₄, MgSO₄, FeSO₄ ... Những liên kết này không tham gia quá trình cháy mà chuyển thành tro của nhiên liệu. Chúng nóng chảy vào đóng keo, đây cũng chính là nguyên nhân hình thành keo xỉ. Vì vậy muốn than không keo xỉ, ta phải chọn than có hàm lượng lưu huỳnh thấp.

Nhiệt trị của lưu huỳnh bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của carbon. Khi cháy lưu huỳnh sẽ tạo ra khí SO₂ hoặc SO₃. Lúc gặp hơi nước SO₃ dễ hoà tan tạo ra axit H₂SO₄ gây ăn mòn kim loại. Khí SO₂ thải ra ngoài, có mùi rất khó chịu và là khí độc nguy hiểm. Chính vì vậy, chỉ cần bằng trực quan cũng có thể cho ta biết than có hàm lượng lưu huỳnh nhiều hay ít.

Oxy (oxygen) và Nitơ (nitrogen) là những chất trơ trong nhiên liệu rắn và lỏng. Sự có mặt của oxy và nitơ làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu làm cho nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống. Nhiên liệu càng non thì oxy càng nhiều. Khi đốt nhiên liệu, nitơ không tham gia quá trình cháy, chuyển thành dạng tự do ở trong khói.

Cập nhật: 14/03/2023 PNVN