ВсОШ 2024, 9 класс, №9-4
Превращение доступного соединения в простые вещества и является одной из главных проблем современной энергетики и уже много лет занимает умы исследователей в этой области. Один из химических циклов, предложенных для переработки в продукты и , включает три процесса:
Известно, что при нормальных условиях вещество – твёрдое, и – жидкие, а , , и – газы. Плотность газовой смеси и , образующейся в р-ции 3 при при общем давлении атм, равна г/л, а плотность газообразной смеси продуктов р-ции 2 при и общем давлении атм составляет г/л.
Запишите суммарное уравнение реакции, для проведения которой используется описанный цикл (можно использовать буквенные обозначения).
Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.
Установите формулы всех неизвестных веществ. Ответ подтвердите расчётом.
Обоснование, расчёты и уравнения приведите в полном решении.
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Формула .
Предложите альтернативный способ превращения в и .
Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.
Температурные зависимости стандартных энергий Гиббса (в Дж/моль) реакций и имеют следующий вид:
Первый процесс - экзотермический, поэтому для эффективного протекания реакции необходимо отводить тепло. Вторая реакция, напротив, требует нагревания.
Установите температуру, выше которой реакция становится несамопроизвольной при стандартных давлениях газообразных участников, и температуру, выше которой предпочтительно проводить реакцию , при стандартных давлениях реагентов и продуктов.
Обоснование, расчёты и уравнения приведите в полном решении.
Температурная граница реакции 1, .
Температурная граница реакции 2, .
Реакции – проводят в существенно различных условиях, поэтому агрегатные состояния некоторых реагентов в них различаются. Например, реакция эндотермична ( кДж/моль) и требует нагревания. Если привести термодинамические функции к единым условиям, то выражение для стандартной энергии Гиббса реакции примет вид:
Рассчитайте совокупный тепловой эффект превращения в и .
, кДж/моль.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
Проведём сложение имеющихся реакций, предварительно удвоив реакции и , чтобы коэффициенты перед веществами и совпали:
+ + = +
= + +
= +
В результате такого сложения промежуточные вещества сократятся. Оставшиеся в реакции вещества соответствуют уравнению:
= +
В этой реакции из жидкости образуются газообразные простые вещества и . Учитывая агрегатной состояние , коэффициенты в уравнении реакции, а также упоминание современной энергетики, можно предположить, что речь идёт о разложении воды на водород и кислород. Действительно, водород является экологичным видом топлива, однако его получение из наиболее очевидного источника – воды – является экономически невыгодным процессом. Итак, – , – , – . С установленными веществами схема выглядит следующим образом:
+ + = +
= + +
= +
В таком виде реакция может соответствовать разложению кислоты (учитывая газообразное состояние продуктов), а реакция – разложению водородного соединения. Установим средние молярные массы соответствующих смесей:
Первая молярная масса может быть связана с составом смеси следующим образом:
Откуда M(B) = г/моль. Среди кислотных оксидов такая молярная масса соответствуют диоксиду серы . Тогда – , – . Средняя молярная масса смеси, полученной в реакции , – полусумма молярных масс водорода и , откуда M(A) = г/моль. Также эта средняя молярная масса совпадает с молярной массой : M(C) = г/моль. Этим молярным массам хорошо соответствуют иод и иодоводород. Последний действительно легко разлагается при нагревании на простые вещества. Агрегатные состояния веществ, упомянутые в условии, подтверждают это предположение. Тогда – , – . Полный цикл выглядит следующим образом:
+ + = +
= + +
= +
Альтернативным способом разложения воды на водород и кислород является, например, электролиз водных растворов кислот , или щелочей . Процесс самопроизволен, когда стандартная энергия Гиббса отрицательна. Для ответа на первый вопрос необходимо решить неравенство вида:
Откуда K или .
Для проведения реакции стандартная энергия Гиббса реакции должна быть отрицательна:
Откуда K или .
Первые числа в уравнениях для свободной энергии Гиббса реакций и – энтальпии соответствующих процессов в Дж/моль. Тогда кДж/моль, а кДж/моль (в расчётах используется энтальпия процесса , агрегатные состояния веществ в котором соответствуют агрегатным состояниям веществ в процессах и ). Ранее было показано, что совокупный процесс разложения воды – сумма удвоенных реакций и и реакции . Согласно следствию из закона Гесса, то же справедливо для энтальпии:
Полученная величина соответствует удвоенной энтальпии разложения газообразной воды = кДж/моль).