Chemia - Matura Maj 2017, Poziom rozszerzony (Formuła 2007) - Zadanie 9.
W procesie parowego reformingu metanu (konwersji metanu z parą wodną) w pierwszym etapie ten gaz reaguje z parą wodną w obecności katalizatora niklowego – w temperaturze około 1070 K i pod ciśnieniem około 3 · 104 hPa – zgodnie z równaniem:
Pomimo że stechiometryczny stosunek molowy substratów reakcji jest równy 1, ten proces prowadzi się przy nadmiarze pary wodnej.
Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna. Przemysł nieorganiczny, Warszawa 2013.
9.1. (2 pkt)
Określ, czy wzrost temperatury wpływa na zwiększenie wydajności opisanej reakcji konwersji, jeżeli zachodzi ona pod stałym ciśnieniem p, oraz czy wzrost ciśnienia skutkuje wzrostem wydajności tej reakcji. Odpowiedź uzasadnij.
Wpływ wzrostu temperatury na wydajność reakcji (p = const) i uzasadnienie:
Wpływ wzrostu ciśnienia na wydajność reakcji (T = const) i uzasadnienie:
9.2. (1 pkt)
Szybkość opisanej reakcji wzrasta ze wzrostem ciśnienia.
Poniżej zestawiono warunki, w jakich przeprowadza się opisany proces parowego reformingu
metanu:
II
III
IV
ciśnienie około 3 · 104 hPa
katalizator niklowy
stosunek molowy nH2O : nCH4 > 1
Dokończ poniższe zdania – wpisz numery wszystkich warunków prowadzenia procesu, które wpływają na szybkość i wydajność konwersji metanu.
- Warunki sprzyjające dużej szybkości reakcji:
- Warunki sprzyjające dużej wydajności reakcji:
9.3. (2 pkt)
Oblicz, ile m3 wodoru w przeliczeniu na warunki normalne powstało w pierwszym etapie parowego reformingu metanu prowadzonego w temperaturze 1070 K i pod ciśnieniem 3 · 104 hPa, jeżeli wykorzystano 1 m3 metanu odmierzony w warunkach przemiany oraz nadmiar pary wodnej. Wydajność przemiany metanu była równa 95%. Uniwersalna stała gazowa R = 83,1 dm3·hPa·mol–1·K–1.
Rozwiązanie
9.1. (2 pkt)
Schemat punktowania
2 p. – za poprawne określenie wpływu wzrostu temperatury i wzrostu ciśnienia na wydajność
przemiany metanu oraz za poprawne uzasadnienie obu odpowiedzi.
1 p. – za poprawne określenie wpływu wzrostu temperatury albo wzrostu ciśnienia na
wydajność przemiany metanu oraz za poprawne uzasadnienie tej odpowiedzi.
0 p. – za odpowiedź niepełną lub błędną albo brak odpowiedzi.
Przykład poprawnej odpowiedzi
Wpływ wzrostu temperatury na wydajność reakcji (p = const) i uzasadnienie:
Tak, wzrost temperatury powoduje zwiększenie wydajności tworzenia CO i H2, ponieważ przemiana ta jest endotermiczna (ΔH > 0). Zgodnie z regułą przekory wydajność reakcji endotermicznej wzrasta ze wzrostem temperatury.
Wpływ wzrostu ciśnienia na wydajność reakcji (T = const) i uzasadnienie:
Nie, wzrost ciśnienia nie skutkuje wzrostem wydajność przemiany metanu, ponieważ łączna liczba moli gazowych substratów jest mniejsza od łącznej liczby moli gazowych produktów. Wzrost ciśnienia powoduje zmniejszenie wydajności tej przemiany.
9.2. (1 pkt)
Schemat punktowania
1 p. – za poprawne dokończenie obu zdań.
0 p. – za odpowiedź niepełną lub błędną albo brak odpowiedzi.
Poprawna odpowiedź
1. Warunki sprzyjające dużej szybkości reakcji: I, II, III.
2. Warunki sprzyjające dużej wydajności reakcji: I, IV.
9.3. (2 pkt)
Schemat punktowania
2 p. – za zastosowanie poprawnej metody, poprawne wykonanie obliczeń oraz podanie
wyniku w m3.
1 p. – zastosowanie poprawnej metody, ale:
– popełnienie błędów rachunkowych prowadzących do błędnego wyniku liczbowego
lub
– podanie wyniku liczbowego w jednostce innej niż m3.
0 p. – za zastosowanie błędnej metody obliczenia lub brak rozwiązania.
Uwaga: należy zwrócić uwagę na zależność wyniku liczbowego od przyjętych zaokrągleń.
Przykładowe rozwiązania
I sposób:
W warunkach przemiany:
Z równania reakcji:
nH2nCH4 = 31 ⇒ nH2 = 3 nCH4 ⇒ VH2 = 3 VCH4 ⇒ VH2 = 3 m3 przy wydajności 100%
VH2 = 3 m3 ⋅ 0,95 = 2,85 m3 przy wydajności 95%
nH2 = pVRT = 3 ⋅104 ⋅ 2,85 ⋅103 83,1 ⋅1070 = 961,57 mola
VH2 = 961,57 mol ⋅ 22,4 dm3 ⋅ mol−1 = 21539,2 dm3 = 21,54 m3
II sposób:
W warunkach przemiany:
VH2 = 3 m3 ⋅ 0,95 = 2,85 m3 przy wydajności 95%
pnVnTn = pVT ⇒ Vn = pVTnpnT = 3 ⋅ 104 hPa ⋅ 273 K ⋅ 2,85 m3 1013 hPa ⋅ 1070 K ⇒ Vn = 21,53 m3
