Matura Biolchem

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:

${CH}_{4} (g) + H_{2} O (g) \overset{p, T, Ni}{⇄} CO (g) + 3 H_{2} (g) Δ H_{298}^{o} = 206 kJ$

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.

Zadanie 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:

Zadanie 9.2. (1 pkt)

Szybkość opisanej reakcji wzrasta ze wzrostem ciśnienia.
Poniżej zestawiono warunki, w jakich przeprowadza się opisany proces parowego reformingu metanu:

I temperatura około 1070 K
II ciśnienie około 3 · 104 hPa
III katalizator niklowy
IV stosunek molowy n_H2O : n_CH > 1

Dokończ poniższe zdania – wpisz numery wszystkich warunków prowadzenia procesu, które wpływają na szybkość i wydajność konwersji metanu.

1. Warunki sprzyjające dużej szybkości reakcji: …………………………………………………………….

2. Warunki sprzyjające dużej wydajności reakcji: …………………………………………………………..

Zadanie 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:

Zadanie 9.1. (0–2)

Tworzenie informacji.

Określenie, jak zmieni się położenie stanu równowagi chemicznej. (III.1.6)

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.

Zadanie 9.2. (0–1)

Wiadomości i rozumienie.

Określenie wpływu różnych czynników na przebieg reakcji chemicznej. (I.3.d.2)

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.

Zadanie 9.3. (0–2)

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:

T = 1070 K p = 3 ⋅ 10⁴ hPa V_CH4 = 1 m³

Z równania reakcji:

\frac{n_{H_{2}}}{n_{{CH}_{4}}} = \frac{3}{1} \Rightarrow n_{H_{2}} = 3 n_{{CH}_{4}} \Rightarrow V_{H_{2}} = 3 V_{{CH}_{4}} \Rightarrow V_{H_{2}} = 3 m^{3} przy wydajności 100 %

V_H2 = 3 m³ ⋅ 0, 95 = 2,85 m³ przy wydajności 95%

n_{H_{2}} = \frac{p V}{R T} = \frac{3 \cdot 10^{4} \cdot 2, 85 \cdot 10^{3}}{83, 1 \cdot 1070} = 961, 57 mola

V_H2 = 961,57 mol · 22,4 dm³ · mol^-1 = 21539,2 dm³ = 21,54 m³

II sposób:

W warunkach przemiany:

T = 1070 K p = 3 ⋅ 10⁴ hPa V_CH4 = 1 m³

V_H2 = 3 m³ ⋅ 0, 95 = 2,85 m³ przy wydajności 95%

\frac{p_{n} V_{n}}{T_{n}} = \frac{p V}{T} \Rightarrow V_{n} = \frac{p V T_{n}}{p_{n} T} = \frac{3 \cdot 10^{4} hPa \cdot 273 K \cdot 2, 85 m 3}{1013 hPa \cdot 1070 K} \Rightarrow V_{n} = 21, 53 m^{3}

Drukuj zadanie:

1 Komentarz

Inline Feedbacks

View all comments

4 lat temu

Dlaczego tam jest 10 do potęgi 3?

Odpowiedz

BIOLOGIA

ZADANIA MATURALNE

CHEMIA

ZADANIA MATURALNE

Matura Maj 2017, Poziom Rozszerzony (Arkusze CKE), Formuła od 2005 - Zadanie 9. (5 pkt)

PARTNERZY