Spalanie siarki w powietrzu prowadzi do powstania tlenku siarki(IV) zgodnie z równaniem:
S + O2 → SO2
Kluczowe jest to, że powietrze nie jest czystym tlenem, tylko mieszaniną gazów. W ujęciu uproszczonym zawiera około 21% (V/V) tlenu i około 78% (V/V) azotu. Azot w tej reakcji traktuje się jako składnik zasadniczo obojętny: nie reaguje, ale przechodzi do gazów spalinowych i rozcieńcza produkt.
Dlaczego maksymalne stężenie SO2 wynosi około 21% (V/V)?
Jeżeli dobierzesz ilość siarki tak, aby zużyć cały tlen doprowadzony z powietrzem (warunki stechiometryczne, bez nadmiaru O2), to każda cząsteczka O2 zostaje zamieniona na cząsteczkę SO2 (stosunek molowy 1:1). Wtedy w spalinach (w tym uproszczeniu) znajdują się głównie: SO2 oraz N2 pochodzący z powietrza. Skoro tlen stanowi ok. 21% objętości powietrza, to maksymalnie tyle samo "miejsca" w spalinach może zająć SO2 powstały z tego tlenu. Zwiększanie ilości siarki ponad ilość stechiometryczną nie podniesie stężenia SO2, bo zabraknie tlenu.
Dlaczego pozostałe odpowiedzi są niepoprawne?
- 13% (V/V) może odpowiadać sytuacji z dużym nadmiarem powietrza (więcej N2 w spalinach) lub innym rozcieńczeniem, ale nie jest to wartość maksymalna niezależna od dozowania reagentów.
- 50% (V/V) byłoby możliwe tylko wtedy, gdyby utleniaczem nie było powietrze, lecz mieszanina o znacznie większej zawartości tlenu (np. wzbogacone powietrze lub tlen techniczny). Przy zwykłym powietrzu azot zawsze mocno rozcieńcza spaliny.
- 78% (V/V) odpowiada w przybliżeniu udziałowi azotu w powietrzu, a nie maksymalnemu udziałowi SO2. To typowa pomyłka polegająca na zamianie ról głównych składników powietrza.
Na egzaminie warto zapamiętać prostą regułę: dla spalania w powietrzu bez nadmiaru tlenu maksymalny udział objętościowy produktu zużywającego O2 jest ograniczony udziałem O2 w powietrzu (w przybliżeniu 21%).
