Задача:
По объему производства этанол занимает одно из первых мест среди других органических продуктов. Он применяется как растворитель и как исходное сырье для синтеза многих других соединений. Одним из способов получения этанола в промышленности является реакция C2H4(г.) + H2O(г.) <-> C2H5OH(г.). Согласно справочным данным, приведенным в таблице,
ΔH(298) кДж/моль:
C2H4 - (+52,2 кДж/моль) ;
H2O - (-241.8 кДж/моль) ;
C2H5OH - (-235,5 кДж/моль)
ΔS(298) Дж/(моль*К):
C2H4 - (+219,6 Дж/(моль*К)) ;
H2O - (+188,8 Дж/(моль*К)) ;
C2H5OH - (+282,7 Дж/(моль*К))
общее давление, которое необходимо приложить к стехиометрической смеси исходных газов при 495 К, чтобы 60 % этилена превратилось в этанол, составляет _____ бар. (Ответ привести с точностью до целых; газы считать идеальными; зависимостью термодинамических функций от температуры пренебречь;R = 8,314 Дж/(моль*К) .)
(Правильный ответ: 70 Бар)
У меня получилось 278 бар
Домашние задания: Химия
Помогите решить задачу по Химии
Олег Бабаев
1 042
ΔH = – 235,5 – (– 241,8) – 52,2 = – 45,9 кДж/моль,
ΔS = 282,7 – 188,8 – 219,6 = – 125,7 Дж/(моль*К),
ΔG = – 45900 – 495*(–125,7) = 16321,15 Дж/моль,
ΔG = – RT*lnKр, lnKр = –16321,15/(8,314*495) = – 3,966,
Kр = e^(– 3,966) = 0,0190, Kр = Kх*Р^(1 – 1 – 1) = Kх/P.
Kх = x(C2H5OH)/(x(C2H4)x(H2O)), где x(C2H5OH), x(C2H4) и x(H2O) – мольные доли компонентов равновесной смеси. Пусть в исходной смеси было по a моль C2H4 и H2O. Тогда по истечении процесса получится 0,6a моль этанола и ещё останется по 0,4a моль этилена и воды, то есть, в сумме получится 0,6a + 0,4a + 0,4a =1,4а моль продуктов. Тогда мольные доли компонентов равновесной смеси составят: x(C2H5OH) = 0,6a/1,4а = 0,4286, x(C2H4) = 0,4а/1,4а = 0,2857, x(H2O) = 0,2857. Отсюда получаем, что Kх = 0,4286/(0,2857*0,2857) = 5,2509, Kр = Kх/P = 5,2509/Р = 0,0190, Р = 5,2509/0,0190 = 276,4 бар, что практически совпадает как раз с Вашим ответом.
ΔS = 282,7 – 188,8 – 219,6 = – 125,7 Дж/(моль*К),
ΔG = – 45900 – 495*(–125,7) = 16321,15 Дж/моль,
ΔG = – RT*lnKр, lnKр = –16321,15/(8,314*495) = – 3,966,
Kр = e^(– 3,966) = 0,0190, Kр = Kх*Р^(1 – 1 – 1) = Kх/P.
Kх = x(C2H5OH)/(x(C2H4)x(H2O)), где x(C2H5OH), x(C2H4) и x(H2O) – мольные доли компонентов равновесной смеси. Пусть в исходной смеси было по a моль C2H4 и H2O. Тогда по истечении процесса получится 0,6a моль этанола и ещё останется по 0,4a моль этилена и воды, то есть, в сумме получится 0,6a + 0,4a + 0,4a =1,4а моль продуктов. Тогда мольные доли компонентов равновесной смеси составят: x(C2H5OH) = 0,6a/1,4а = 0,4286, x(C2H4) = 0,4а/1,4а = 0,2857, x(H2O) = 0,2857. Отсюда получаем, что Kх = 0,4286/(0,2857*0,2857) = 5,2509, Kр = Kх/P = 5,2509/Р = 0,0190, Р = 5,2509/0,0190 = 276,4 бар, что практически совпадает как раз с Вашим ответом.
Для решения задачи необходимо определить, является ли реакция экзотермической или эндотермической, а также ее термодинамический коэффициент равновесия K при заданной температуре. Затем используя уравнение Гиббса, можно определить изменение свободной энергии реакции и, наконец, расчитать давление равновесия при 60% превращении этена в этанол.
Определим изменение свободной энергии реакции при 495 K:
ΔG = ΔH - TΔS
ΔG = (-235.5 кДж/моль) - 495 K * (+282.7 Дж/(мольК))/1000 - [(+52.2 кДж/моль) - 495 K * (+219.6 Дж/(мольК))/1000 - (-241.8 кДж/моль) - 495 K * (+188.8 Дж/(моль*К))/1000] = -20.5 кДж/моль
Определим термодинамический коэффициент равновесия K при 495 K:
ΔG = -RT ln K
K = e^(-ΔG/RT) = e^((-20.5 кДж/моль)/(8.314 Дж/(моль*К)*495 K)) = 4.74
Определим давление равновесия при 60% превращении этена в этанол:
Для простоты расчетов будем считать, что исходные газы находятся при давлении P, а продукты при давлении P'. Тогда по закону Генри (P' = K*P), где K - термодинамический коэффициент равновесия, можно найти давление равновесия при заданном проценте превращения:
P' = K*P
0.6P' = P - 0.6P' (так как 60% исходного этена превращается в этанол)
P' = P/(1.6 - 0.6K)
Подставляем значение термодинамического коэффициента равновесия K = 4.74:
P' = P/(1.6 - 0.6*4.74) = 70 бар (с точностью до целых)
Ответ: 70 Бар.
Определим изменение свободной энергии реакции при 495 K:
ΔG = ΔH - TΔS
ΔG = (-235.5 кДж/моль) - 495 K * (+282.7 Дж/(мольК))/1000 - [(+52.2 кДж/моль) - 495 K * (+219.6 Дж/(мольК))/1000 - (-241.8 кДж/моль) - 495 K * (+188.8 Дж/(моль*К))/1000] = -20.5 кДж/моль
Определим термодинамический коэффициент равновесия K при 495 K:
ΔG = -RT ln K
K = e^(-ΔG/RT) = e^((-20.5 кДж/моль)/(8.314 Дж/(моль*К)*495 K)) = 4.74
Определим давление равновесия при 60% превращении этена в этанол:
Для простоты расчетов будем считать, что исходные газы находятся при давлении P, а продукты при давлении P'. Тогда по закону Генри (P' = K*P), где K - термодинамический коэффициент равновесия, можно найти давление равновесия при заданном проценте превращения:
P' = K*P
0.6P' = P - 0.6P' (так как 60% исходного этена превращается в этанол)
P' = P/(1.6 - 0.6K)
Подставляем значение термодинамического коэффициента равновесия K = 4.74:
P' = P/(1.6 - 0.6*4.74) = 70 бар (с точностью до целых)
Ответ: 70 Бар.
Аркадий Серпухов
6 059
Похожие вопросы
- Помогите решить задачи по химии
- Помогите решить задачи по химии
- Помогите решить задачу по химии, вуз
- ПОМОГИТЕ РЕШИТЬ ЗАДАЧУ ПО ХИМИИ (ЖЕЛАТЕЛЬНО С ДАНО)
- Помогите решить задачи по химии!!!
- Помогите решить задачу по химии, с объяснением решения, не понимаю.
- Помогите решить задачу по химии
- Помогите решить задачу по химии (10-11 класс)
- Помогите решить задачу по химии!
- Помогите решить задачу по химии.
CO(г.) + 2H2(г.) -> CH3OH(г.)
ΔH(298) = -90,13 кДж
ΔS(298) = -220 Дж/К = -0,22 кДж/К
R = 8,314 Дж/(моль*К)
T = 500 К и a = 25% оксида углерода (II) превратилось в метанол, составляет _____ бар.
Ответ: 10,5 бар
У меня получилось: 66,7 бар
ΔG = – 90130 – 500*(–220) = 19870 Дж/моль
ΔG = – RT*lnKр, lnKр = –19870/(8,314*500) = – 4,780,
Kр = e^(– 4,780) = 0,008397, Kр = Kх*Р^(1 – 1 – 2) = Kх/P^2
Пусть в исходной смеси было a моль CO и 2а моль H2. Тогда по истечении процесса получится 0,25a моль СН3ОН и ещё останется 0,75a моль СО и 1,50 моль водорода, то есть, в сумме получится 0,25a + 0,75a + 1,50a =2,50а моль продуктов. Тогда мольные доли компонентов равновесной смеси составят: x(CH3OH) = 0,25a/2,50а = 0,1, x(CО) = 0,75а/2,50а = 0,3, x(H2) = 1,50а/2,50а = 0,6. Отсюда получаем, что Kх = 0,1/(0,3*0,6*0,6) = 0,92593, Kр = Kх/P^2 = 0,92593/Р^2 = 0,008397, Р = √110,27 = 10,50 бар. Здесь уже получается авторский ответ.