IChO 2015, Подборен кръг — Задача 1

МОМН, XLVII НАЦИОНАЛНА ОЛИМПИАДА ПО ХИМИЯ И ОПАЗВАНЕ НА ОКОЛНАТА СРЕДА. Подборно контролно (29-30 май, 2014 г.). ТЕОРИЯ

Внимание: Бележка към темата

Сканирано копие без решения; върху заглавието има ръкописни поправки на датата.

Условие

Един от промишлените методи за получаване на газ водород е конверсия на въглеводороди, напр. метан, с водна пара:

CH4(g)+H2O(g)⇌3H2(g)+CO(g)(1)\mathrm{CH_4(g) + H_2O(g) \rightleftharpoons 3H_2(g) + CO(g)} \qquad \mathbf{(1)}

1 Като използвате дадените в Таблица 1 термодинамични данни, изчислете стандартното изменение на реакционната енергия на Гибс ΔrG0\Delta_\mathrm{r}G^0 при T1T_1=298 K и стойността на равновесната константа Kp1K_{p1} за процеса (1).

2 Как се променя (намалява или нараства) равновесната константа KpK_p при повишение на температурата? Обосновете отговора.

Производството на водород чрез конверсия на метан може да се проведе при атмосферно налягане и висока температура, в отсъствие на катализатор. В изходната реакционна смес присъстват равни обеми метан и водна пара, а в равновесната смес остават 0.2 об.% газообразен метан. За тези условия:

3 Изчислете стойността на равновесната константа Kp2K_{p2} за процеса (1).

4 Изчислете при каква температура T2T_2 се провежда промишленото получаване на водород по този метод.

Водородът е компонент на газовата смес (генераторен газ), която се получава при газифициране на въглища:

C(s)+H2O(g)→H2(g)+CO(g)(2)\mathrm{C(s) + H_2O(g) \rightarrow H_2(g) + CO(g)} \qquad \mathbf{(2)}

5 Изчислете стандартното изменение на реакционната енталпия ΔrH0\Delta_\mathrm{r}H^0 за реакция (2), като използвате следните данни:

2C(s)+O2(g)→2CO(g)ΔrH0=−221.0 kJ/mol\mathrm{2C(s) + O_2(g) \rightarrow 2CO(g)} \qquad \Delta_\mathrm{r}H^0 = -221.0\ \mathrm{kJ/mol}
2H2 (g)+O2(g)→2H2O(g)ΔrH0=−483.6 kJ/mol\mathrm{2H_2\,(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g)} \qquad \Delta_\mathrm{r}H^0 = -483.6\ \mathrm{kJ/mol}

Генераторният газ може да се използва като гориво:

H2(g)+CO(g)+O2(g)→CO2(g)+H2O(g)(3)\mathrm{H_2(g) + CO(g) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + H_2O(g)} \qquad (3)

6 Като използвате допълнителната информация за реакцията

C(s)+O2(g)→CO2(g)ΔrH0=−393.5 kJ/mol\mathrm{C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)} \qquad \Delta_\mathrm{r}H^0 = -393.5\ \mathrm{kJ/mol}

изчислете стандартното изменение на реакционната енталпия на реакция (3).

Водородът съставлява 90 % от междузвездното пространство. За синтеза на амоняк в междузвездните газови облаци е предложен следният йонно-молекулен механизъм:

N++H2→NH++Hk1\mathrm{N^+ + H_2 \rightarrow NH^+ + H} \qquad k_1
NH++H2→NH2++Hk2\mathrm{NH^+ + H_2 \rightarrow NH_2^+ + H} \qquad k_2
NH2++H2→NH3++Hk3\mathrm{NH_2^+ + H_2 \rightarrow NH_3^+ + H} \qquad k_3
NH3++H2→NH4++Hk4\mathrm{NH_3^+ + H_2 \rightarrow NH_4^+ + H} \qquad k_4
NH4++e−→NH3+Hk5\mathrm{NH_4^+ + e^- \rightarrow NH_3 + H} \qquad k_5
NH4++e−→NH2+2Hk6\mathrm{NH_4^+ + e^- \rightarrow NH_2 + 2H} \qquad k_6

7 Като използвате квазистационарното приближение изведете изрази за концентрациите на интермедиатите NH+\mathrm{NH^+},NH2+\mathrm{NH_2^+},NH3+\mathrm{NH_3^+} и NH4+\mathrm{NH_4^+} като функция от концентрациите на реагентите N+\mathrm{N^+}, H2\mathrm{H_2} и e−\mathrm{e^-}. Електроните третирайте като всеки друг реагент.

8 Докажете, че скоростта на образуване на NH3\mathrm{NH_3} може да се изрази със следното диференциално кинетично уравнение:

d[NH3]dt=k[N+][H2]\frac{\mathrm{d[NH_3]}}{\mathrm{d}t} = k[\mathrm{N^+}][\mathrm{H_2}]

Запишете израз за скоростната константа kk в това уравнение като функция от скоростните константи k1k_1, k2k_2, k3k_3, k4k_4, k5k_5, k6k_6.

Решение

Внимание: Непълно решение

В архива липсва файл с решения

Необходими справочни данни

Универсална газова константа: R=8.314 J mol−1⋅K−1R = 8.314\ \mathrm{J\ mol^{-1}\cdot K^{-1}}

0 ∘C=273 K0\ {}^{\circ}\mathrm{C} = 273\ \mathrm{K}

Термодинамични данни:

CH4(g)\mathrm{CH_4(g)}H2O(g)\mathrm{H_2O(g)}H2(g)\mathrm{H_2(g)}CO(g)\mathrm{CO(g)}
ΔfH2980\Delta_\mathrm{f}H^0_{298}, kJ mol−1^{-1}-74.4-241.8--110.5
S2980S^0_{298}, J mol−1^{-1} K−1^{-1}186.3188.8130.7197.7

Молни маси MM (g/mol):

MM (g/mol): C – 12.011, Na – 22.990; O – 15.999, P – 30.974

Ka.iK_{\mathrm{a}.i} за H3PO4\mathrm{H_3PO_4}: 7.6×10−37.6\times10^{-3} (10−2.1210^{-2.12}), 6.2×10−86.2\times10^{-8} (10−7.2110^{-7.21}), 1.26×10−121.26\times10^{-12} (10−11.9010^{-11.90})

Ka.iK_{\mathrm{a}.i} за H2CO3\mathrm{H_2CO_3}: 4.45×10−74.45\times10^{-7} (10−4.3710^{-4.37}), 4.69×10−114.69\times10^{-11} (10−10.3310^{-10.33})

За воден разтвор на натриева сол на несилна киселина HmA\mathrm{H}_m\mathrm{A}: (Kb,1=KwKa,m)\left(K_{\mathrm{b},1} = \dfrac{K_\mathrm{w}}{K_{\mathrm{a},m}}\right)

[OH−]=−Kb,1+Kb,1 2+4×Kb,1×c(NamA)2[\mathrm{OH^-}] = \frac{-K_{\mathrm{b},1} + \sqrt{K_{\mathrm{b},1}^{\,2} + 4\times K_{\mathrm{b},1}\times c(\mathrm{Na}_m\mathrm{A})}}{2}

За разтвор на кисела сол NaiHm−iA\mathrm{Na}_i\mathrm{H}_{m-i}\mathrm{A}: [H3O+]=Ka,i Ka,(i+1)[\mathrm{H_3O^+}] = \sqrt{K_{\mathrm{a},i}\,K_{\mathrm{a},(i+1)}}

Оригинал в Архива: Problems.pdf