kiel.pdf

36. Międzynarodowa Olimpiada Chemiczna

(IChO)

ZADANIA TEORETYCZNE

Zadanie 1. Termodynamika

Na swoje 18-te urodziny obchodzone w lutym, Peter planuje urządzić przyjęcie w domku

ogrodowym rodziców, z basenem i sztuczną plażą. W celu oszacowania kosztów ogrzewania wody i

domku, Peter otrzymuje dane dotyczące składu i ceny gazu ziemnego.

1.1 Napisz równania reakcji całkowitego spalania głównych składników gazu ziemnego: metanu i

etanu, podanych w Tabeli 1. Załóż, że w rozpatrywanych warunkach azot jest gazem

obojętnym.

Oblicz entalpię reakcji, entropię reakcji, oraz entalpię swobodną w warunkach standardowych

(1,013·10 5 Pa, 25,0°C) dla procesu spalania metanu i etanu opierając się na podanych wcześniej

równaniach i zakładając, że wszystkie produkty są w stanie gazowym.

Własności termodynamiczne i skład gazu ziemnego znajdują się w Tabeli 1.

1.2 Gęstość gazu ziemnego wynosi 0,740 g dm -3 (1,013·10 5 Pa, 25,0°C) według danych PUC ( the

public utility company ).

Oblicz ilość metanu i etanu (w molach) w 1 m 3 gazu ziemnego (gaz ziemny, metan i

etan nie są gazami doskonałymi !).

Oblicz energię spalania, która jest uwalniana w postaci energii cieplnej w czasie

spalania 1,00 m 3 gazu ziemnego w warunkach standardowych zakładając, że

wszystkie produkty są gazowe. Jeżeli nie masz ilości molowych z punktu 1.2a, załóż,

że 1,00 m 3 gazu ziemnego odpowiada 40,00 molom tego gazu.

Według danych PUC energia spalania wynosi 9,981 kWh na m 3 gazu ziemnego, jeżeli wszystkie

produkty są gazowe. Jak duże jest tu odchylenie (w procentach) od wartości, którą otrzymałeś w

punkcie b)?

Basen wewnątrz domku ma 3,0 m szerokości, 5,00 m długości i 1,50 m głębokości (poniżej

podłogi). Doprowadzana woda ma temperaturę 8,00°C, a temperatura powietrza w domku (wymiary

domku są podane na poniższym rysunku) wynosi 10,0°C. Załóż gęstość wody ρ = 1,00 kg dm -3 oraz

przyjmij, że powietrze zachowuje się jak gaz doskonały.

2 m

3 m

15 m

8 m

1.3 Oblicz energię (w MJ), która jest potrzebna do ogrzania wody w basenie do 22,0°C oraz

energię, która jest potrzebna do ogrzania początkowej ilości powietrza (21,0% O 2 , 79,0% N 2 )

do 30,0°C pod ciśnieniem 1,013·10 5 Pa.

W lutym, temperatura na zewnątrz wynosi w Północnych Niemczech około 5°C. Ze względu na

to, że betonowe ściany i sufit domu są dość cienkie (20,0 cm), następuje strata energii. Ta energia jest

uwalniana do otoczenia (proces przekazywania energii wewnątrz pomieszczenia z powietrza do wody

w basenie i /lub do gruntu, na którym stoi budynek należy zaniedbać). Przewodnictwo cieplne ściany

wynosi około 1,00 W K -1 m -1 .

1.4 Oblicz energię (w MJ) która jest potrzebna dla utrzymania temperatury wnętrza domu na

poziomie 30,0°C podczas przyjęcia (12 godzin).

1,00 m 3 gazu ziemnego kosztuje, według danych PUC, 0,40 €, natomiast 1 kWh energii

elektrycznej kosztuje 0,137 €. Koszt wynajęcia wyposażenia do ogrzewania gazowego wynosi 150,00

€, podczas gdy koszt odpowiedniego grzejnika elektrycznego wynosi 100,00 €.

1.5 Ile wynosi całkowita energia (w MJ), której potrzebuje Peter na czas zimowego przyjęcia na

basenie, obliczona w punktach 1.3 i 1.4 ? Ile gazu ziemnego będzie potrzebował, jeżeli

sprawność grzejnika gazowego wynosi 90%? Jakie są całkowite koszty ogrzewania za pomocą

gazu ziemnego i elektryczności? W rachunkach posłuż się wartościami podanymi przez PUC i

załóż 100%-ową sprawność grzejnika elektrycznego.

Tabela 1: Skład i termodynamiczne właściwości składników w gazu ziemnego

Substancja

ułamek molowy x Δ tw H 0 ·( kJ mol -1 ) -1

S 0 ·(J mol -1 K -1 ) -1

C p 0 ·(J mol -1 K -1 ) -1

chemiczna

CO 2 (g)

0.0024

-393.5

213.8

37.1

N 2 (g)

0.0134

0.0

191.6

29.1

CH 4 (g)

0.9732

-74.6

186.3

35.7

C 2 H 6 (g)

0.0110

-84.0

229.2

52.5

H 2 O (c)

-285.8

70.0

75.3

H 2 O (g)

-241.8

188.8

33.6

O 2 (g)

0.0

205.2

29.4

Równanie:

J = E · ( A · Δ t ) -1 = λ ściany · Δ T · d -1

strumień energii E przepływającej zgodnie z gradientem temperatury (prostopadły do

powierzchni ściany) przez powierzchnię A w czasie Δt

grubość ściany

λ ściany przewodnictwo cieplne

Δ T

różnica między temperaturą wnętrza i temperaturą na zewnątrz domu.

Zadanie 2: Kinetyka katalizy powierzchniowej

Niezależnie od innych związków, gazy wylotowe z silnika Otto są zawierają składniki stanowiące

główne źródła zanieczyszczenia środowiska. Należą do nich: tlenek węgla(II), tlenek azotu(II) oraz

niespalone węglowodory, jak np. oktan. W celu zmniejszenia emisji zanieczyszczeń przekształca się je

w dwutlenek węgla, azot i wodę w trójzadaniowym konwerterze katalitycznym.

2.1 Ułóż równania reakcji, jakim ulegają główne zanieczyszczenia na katalizatorze.

Aby optymalnie usunąć główne zanieczyszczenia z gazów wylotowych (spalin) silnika Otto,

pewien elektrochemiczny element, tzw. „sonda λ” mierzy zdefiniowane niżej wartości λ . Element ten

jest ulokowany w strumieniu spalin między silnikiem i trójzadaniowym konwerterem katalitycznym.

Wartość lambda jest definiowana następująco:

ilosc

powietrza

wlocie

ilosc

powietrza

potrzebna

calkowiteg

spalenia

w: przedział λ

y: efektywność konwersji (%)

z: węglowodory

2.2 Zdecyduj o prawdziwości poniższych zdań dotyczących pomiaru λ

praw- fał- brak podstaw

dziwe szywe do odpowiedzi

Jeżeli wartość λ mieści się w zakresie wskazanego przedziału λ,

to tlenek węgla(II) i węglowodory mogą być utleniane w konwerterze

trójzadanioy.

Jeśli λ > 1, to tlenek węgla(II) i węglowodory mogą być utleniane w

konwerterze trójzadaniowym.

Jeśli λ < 0.975, tlenek azotu(II) może być w niewielkim stopniu

redukowany.

Adsorpcja cząsteczek gazu na powierzchni ciała stałego może być opisana prostym modelem z

użyciem izotermy Langmuira:

⋅

gdzie θ jest ułamkiem centrów aktywnych powierzchni, które są zajęte przez cząsteczki gazu, p jest

ciśnieniem gazu, a K jest pewną stałą.

Adsorpcja gazu w 25 °C może być opisana z użyciem izotermy Langmuira ze stałą

K = 0,85 kPa -1 .

2.3 a) Wyznacz stopień pokrycia powierzchni θ dla ciśnienia 0,65 kPa.

2.3 b) Wyznacz ciśnienie p , dla którego pokryte jest 15 % powierzchni.

2.3 c) Szybkość rozkładu molekuł gazowych na powierzchni ciała stałego zależy od stopnia pokrycia

powierzchni θ  (reakcja odwrotna jest zaniedbywalna): r = k ·θ

Podaj rząd reakcji rozkładu dla niskiego i wysokiego ciśnienia gazu zakładając stosowalność

podanego wyżej wzoru na izotermę Langmuira (produkty są zaniedbywalne).

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: