Съдържание

НОХ 2017, II кръг (областен), 10–12 клас — Задача 1

Оригинал на условието (PDF)Съобщи за грешка

Всички материали от НОХ 2017

МОН, XLIX НАЦИОНАЛНА ОЛИМПИАДА ПО ХИМИЯ И ОПАЗВАНЕ НА ОКОЛНАТА СРЕДА. Областен кръг, 12 февруари 2017 г. Учебно съдържание X - XII клас · 12 февруари 2017 г. · 25 т.

Условие

Първият етап на промишленото получаване на концентрирана сярна киселина включва „пържене“ на сулфидна руда, напр. пирит, в обогатен на кислород въздух. Полученият серен диоксид се окислява в присъствие на катализатор и продуктът на окисление се разтваря в разредена сярна киселина.

1. Изразете с химично уравнение „пърженето” на пирит. Изравнете уравнението по метода на електронния баланс. [5 т.]

Серен диоксид е получен при „пържене“ на 100 t пирит, който съдържа 78 мас.% $\mathrm{FeS_2}$ . Процесът е проведен при температура 600 K и налягане 108 kPa.

2. Изчислете обема на получения $\mathrm{SO_2}$ , като имате предвид, че 5,0 мол.% S и 8,0 мол.% Fe не са реагирали. [5 т.]

3. Изчислете количеството газ чист кислород ( $n(\mathrm{O_2})$ в mol), който е необходим за получаването на концентрирана сярна киселина при условията на т. 2. [4 т.]

Обогатеният на кислород въздух, използван при описаните процеси, е с обемен състав 60 % $\mathrm{O_2}$ и 40 % $\mathrm{N_2}$ . Отработеният въздух (след приключване на процесите) съдържа 94 об. % $\mathrm{N_2}$ и 6 об. % $\mathrm{O_2}$ .

4. Изчислете обема (в $\mathrm{m^3}$ , при температура 0 °C и налягане 1 atm) на обогатения на кислород въздух, който съдържа необходимото количество газ кислород, изчислен в т. 3. [6 т.]

Концентрираната сярна киселина има окислително действие спрямо металите. Механизмът на това действие е сложен и се дължи на атомния кислород, който се получава при разпадането на киселината:

\mathrm{H_2SO}_{4(\text{конц.})} \rightarrow \mathrm{SO}_{2(\text{г})} + \mathrm{H_2O}_{(\text{т})} + \mathrm{O}_{(\text{г})} \qquad \mathbf{(1)}

5. Изчислете топлинния ефект $Q$ (в kJ/mol) на реакция (1) и определете екзо- или ендотермична е тази реакция, като използвате следните термохимични уравнения:

\mathrm{O}_{2(\text{г})} \rightarrow 2\mathrm{O}_{(\text{г})} - 498\ \mathrm{kJ} \qquad \mathbf{(2)}

2\mathrm{SO}_{2(\text{г})} + \mathrm{O}_{2(\text{г})} \rightarrow 2\mathrm{SO}_{3(\text{г})} + 198\ \mathrm{kJ} \qquad \mathbf{(3)}

\mathrm{SO}_{3(\text{г})} + \mathrm{H_2O}_{(\text{т})} \rightarrow \mathrm{H_2SO}_{4(\text{конц.})} + 226\ \mathrm{kJ} \qquad \mathbf{(4)}

[5 т.]

Справочни данни: $M(\mathrm{FeS_2}) = 120\ \mathrm{g/mol}$ ; $R = 8{,}314\ \mathrm{J/(mol.K)}$

Отговори

Решение

Задача 1 (25 точки)

$\mathrm{4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t^0} 2Fe_2O_3 + 8SO_2}$ 2 т.

Електронен баланс: Fe⁺² → Fe⁺³ (−1e⁻) и 2S⁻¹ → 2S⁺⁴ (−10e⁻), обединени със скоба с 11; 2O⁰ → 2O⁻² (+4e⁻) със скоба с 4; общо кратно 44 и коефициенти 4 и 11.

(електронен баланс — виж фигурата) 3×1 = 3 т.

$m(\mathrm{FeS_2}) = 100\times0{,}78 = 78\ \mathrm{t} = 78\times10^{6}\ \mathrm{g}$

$n(\mathrm{FeS_2}) = 78\times10^{6}/120 = 6{,}5\times10^{5}\ \mathrm{mol}$ 1 т.

$n(\mathrm{Fe}_{\text{окислено}}) = n(\mathrm{FeS_2}) = 6{,}5\times10^{5}\times(1{,}0-0{,}08) = 6{,}5\times10^{5}\times0{,}92 = 5{,}98\times10^{5}\ \mathrm{mol}$ 1 т.

$n(\mathrm{S}_{\text{окислена}}) = 2\times n(\mathrm{FeS_2}) = 2\times6{,}5\times10^{5}\times(1-0{,}05) = 2\times6{,}5\times10^{5}\times0{,}95 = 1{,}24\times10^{6}\ \mathrm{mol}$ 1 т.

$n(\mathrm{SO_2}) = n(\mathrm{S}_{\text{окислена}}) = 1{,}24\times10^{6}\ \mathrm{mol}$ 1 т.

$\boldsymbol{V}(\mathbf{SO_2}) = n(\mathrm{SO_2})\times R\times T/p = 1{,}24\times10^{6}\times8{,}314\times600/108000 = \mathbf{5{,}7\times10^{4}\ m^{3}}$ 1 т.

Реакциите с участието на кислород като окислител, формално записани за 1 mol редуктори (S) и (Fe) (без значение под каква химична форма са те в съединенията), са:

$\mathrm{(S) + 3/2O_2 \rightarrow SO_3}$ $\qquad n(\mathrm{O}_{2\ \text{реагирал}}) = 3/2\times n(\mathrm{S}_{\text{окислена}})$ 1 т.

$\mathrm{(Fe) + 3/4O_2 \rightarrow 1/2Fe_2O_3}$ $\qquad n(\mathrm{O}_{2\ \text{реагирал}}) = 3/4\times n(\mathrm{Fe}_{\text{окислено}})$ 1 т.

От т. 2 знаем, че при пърженето на 100 t руда се окисляват:

$n(\mathrm{Fe}_{\text{окислено}}) = 5{,}98\times10^{5}\ \mathrm{mol}$

$n(\mathrm{S}_{\text{окислена}}) = 1{,}24\times10^{6}\ \mathrm{mol}$

Следователно, количеството газ чист кислород, необходим за тяхното окисляване, е:

$n(\mathrm{O}_{2\ \text{реагирал}}) = 3/2\times n(\mathrm{S}_{\text{окислена}}) + 3/4\times n(\mathrm{Fe}_{\text{окислено}}) = 3/2\times1{,}24\times10^{6} + 3/4\times5{,}98\times10^{5}$

$\boldsymbol{n}(\mathbf{O}_{2\ \text{реагирал}}) = \mathbf{2{,}3\times10^{6}\ mol\ O_2}$ 2 т.

Нека $\boldsymbol{x}$ е необходимият обем (в L) обогатен на кислород въздух.

$V(\mathrm{O}_{2\ \text{в-х}}) = 0{,}60\times\boldsymbol{x}$ този обем намалява при окислителните процеси 0,5 т.

$V(\mathrm{N}_{2\ \text{в-х}}) = 0{,}40\times\boldsymbol{x}$ този обем азот не се променя при „пърженето”; запазва се в отработения въздух, който съдържа 94 об. % $\mathrm{N_2}$ 0,5 т.

Тогава обемът на отработения въздух $V_{\text{отработен в-х}}$ (в L) може да се изрази от съотношението:

$0{,}94 = (0{,}40\times\boldsymbol{x}) / V_{\text{отработен в-х}}$

$V_{\text{отработен в-х}} = (0{,}40\times\boldsymbol{x})/0{,}94 = 0{,}426\times\boldsymbol{x}\ \mathrm{L}$ 1 т.

$V_{\text{отработен в-х}} = V(\mathrm{N}_{2\text{в-х}}) + V(\mathrm{O}_{2\text{нереагирал}})$ 1 т.

$V(\mathrm{O}_{2\ \text{нереагирал}}) = V_{\text{отработен в-х}} - V(\mathrm{N}_{2\text{в-х}}) = 0{,}426\times\boldsymbol{x} - 0{,}40\times\boldsymbol{x} = 0{,}026\times\boldsymbol{x}\ \mathrm{L}$

$V(\mathrm{O}_{2\ \text{реагирал}}) = V(\mathrm{O}_{2\ \text{в-х}}) - V(\mathrm{O}_{2\text{нереагирал}}) = 0{,}60\times\boldsymbol{x} - 0{,}026\times\boldsymbol{x} = 0{,}575\times\boldsymbol{x}\ \mathrm{L}$ ур, (*) 1 т.

От друга страна

$V(\mathrm{O}_{2\ \text{реагирал}}) = n(\mathrm{O}_{2\ \text{реагирал}}) \times 22{,}4 = 2{,}3\times10^{6} \times 22{,}4 = 5{,}15\times10^{7}\ \mathrm{L}$ ур, (**) 1 т.

От уравнения (*) и (**) следва:

$0{,}575\times\boldsymbol{x} = 5{,}15\times10^{7}$

$\boldsymbol{x} = 9{,}0\times10^{7}\ \mathrm{L} = \mathbf{9{,}0\times10^{4}\ m^{3}}$ необходим обем обогатен на кислород въздух 1 т.

Уравнение (2) се умножава по (-1), след което уравнения (2) и (3) се делят на 2: 2 т.

\begin{array}{lll} \mathbf{(2)} & 2\mathrm{O}_{(\text{г})} \rightarrow \mathrm{O}_{2(\text{г})} + 498\ \mathrm{kJ} & :2 \\ \mathbf{(3)} & 2\mathrm{SO}_{2(\text{г})} + \mathrm{O}_{2(\text{г})} \rightarrow 2\mathrm{SO}_{3(\text{г})} + 198\ \mathrm{kJ} & :2 \\ \mathbf{(4)} & \mathrm{SO}_{3(\text{г})} + \mathrm{H_2O}_{(\text{т})} \rightarrow \mathrm{H_2SO}_{4(\text{конц.})} + 226\ \mathrm{kJ} & \end{array}

Получава се:

\begin{array}{ll} \mathbf{(2)} & \mathrm{O}_{(\text{г})} \rightarrow \cancel{1/2\mathrm{O}_{2(\text{г})}} + 249\ \mathrm{kJ/mol} \\ \mathbf{(3)} & +\ \mathrm{SO}_{2(\text{г})} + \cancel{1/2\mathrm{O}_{2(\text{г})}} \rightarrow \cancel{\mathrm{SO}_{3(\text{г})}} + 99\ \mathrm{kJ/mol} \\ \mathbf{(4)} & \cancel{\mathrm{SO}_{3(\text{г})}} + \mathrm{H_2O}_{(\text{т})} \rightarrow \mathrm{H_2SO}_{4(\text{конц.})} + 226\ \mathrm{kJ/mol} \end{array}

Събират се уравнения (2), (3) и (4),

Получава се: $\mathrm{H_2SO}_{4(\text{конц.})} \rightarrow \mathrm{SO}_{2(\text{г})} + \mathrm{H_2O}_{(\text{т})} + \mathrm{O}_{(\text{г})}\ \mathbf{- 574\ kJ/mol}$ 1 т.

Топлинният ефект е: $\mathbf{Q = - 574\ kJ/mol}$ 1 т.

ендотермична реакция 1 т.

Оригинал в Архива: Problems.pdf · официални решения: Solutions.pdf