IChO 1987 · Theory problem 1
Carbohydrate oxidation and fermentation in a sewage plant
Treating waste water in a sewage plant, 45 % of its carbohydrate \(\ce{(CH2O)_n}\) is completely oxidized, 10 % undergoes anaerobic decomposition by fermentation (two components) and the rest remains in the sludge. The total gas formation is \(16\ \mathrm{m^3}\) per day (\(25\ ^\circ\mathrm{C}\), \(100\ \mathrm{kPa}\)).
1.1 What is the amount of carbohydrate remaining in the sludge measured in kg per day?
1.2 Using the heat of combustion of methane (\(-882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)), calculate the amount of energy that can be produced by combustion of the methane formed per day.
1.3 Knowing that the concentration of the carbohydrate in the waste water is \(250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\), calculate the daily amount of waste water processed in the plant in \(\mathrm{m^3}\) of water per day.
Official English text of the problem.
Answers
To two significant figures:
- 1.1: \(\boxed{16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}\) of carbohydrate remains in the sludge.
- 1.2: Methane combustion releases \(\boxed{52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}\).
- 1.3: The plant processes \(\boxed{1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}\) of waste water.
Solution
The molecular species involved are oxygen O=O, carbon dioxide O=C=O, water O, and methane C. The carbohydrate formula \(\ce{(CH2O)_n}\) specifies an empirical composition, so no unique molecular structure or SMILES can be assigned to it. Here, a “\(\ce{CH2O}\) unit” is a stoichiometric counting unit, not a separate molecule.
1.1 — Carbohydrate remaining in the sludge
Complete oxidation produces carbon dioxide and water:
\[ \ce{(CH2O)_n + n O2 -> n CO2 + n H2O}. \]
Part 1.2 identifies methane as a fermentation product; the other gaseous product is carbon dioxide. The average oxidation state of carbon in the carbohydrate is zero. Formation of methane, with carbon at \(-4\), balances formation of an equal amount of carbon dioxide, with carbon at \(+4\):
\[ \ce{2 (CH2O)_n -> n CH4 + n CO2}. \]
Thus, each mole of carbohydrate composition units produces:
- By complete oxidation: \(1\ \mathrm{mol}\) of \(\ce{CO2}\).
- By fermentation: \(0.5\ \mathrm{mol}\) of \(\ce{CH4}\) and \(0.5\ \mathrm{mol}\) of \(\ce{CO2}\).
Let \(F\) be the incoming amount of \(\ce{CH2O}\) units in \(\mathrm{mol\,day^{-1}}\). Counting the stated gas formation as the combined carbon dioxide and methane,
\[ \dot n(\ce{CO2})=(0.45+0.10/2)F=0.50F, \]
\[ \dot n(\ce{CH4})=(0.10/2)F=0.05F, \]
so
\[ \dot n_{\mathrm{gas}}=0.55F. \]
Using the ideal-gas law with \(T=298.15\ \mathrm{K}\),
\[ \dot n_{\mathrm{gas}} =\frac{p\dot V}{RT} =\frac{(1.00\times10^5\ \mathrm{Pa})(16\ \mathrm{m^3\,day^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(298.15\ \mathrm{K})} =645.5\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Therefore,
\[ F=\frac{645.5}{0.55} =1.174\times10^3\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
The fraction remaining in the sludge is
\[ 1-0.45-0.10=0.45. \]
Using \(M(\ce{CH2O})=30.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ \dot m_{\mathrm{sludge}} =0.45F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =15.84\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
Hence,
\[ \boxed{\dot m_{\mathrm{sludge}}\approx16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
1.2 — Energy from methane combustion
The methane production rate is
\[ \dot n(\ce{CH4})=0.05F=58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Its combustion reaction is
\[ \ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}. \]
Using the given combustion enthalpy, the positive amount of heat released per day is
\[ \dot E =-\dot n(\ce{CH4})\Delta_{\mathrm c}H =(58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}) (882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) =5.175\times10^4\ \mathrm{kJ\,day^{-1}}. \]
Thus,
\[ \boxed{\dot E\approx52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}. \]
1.3 — Daily volume of waste water processed
The total incoming carbohydrate mass is
\[ \dot m_0=F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
Convert the given concentration:
\[ 250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}} =250\ \mathrm{g\,m^{-3}} =0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
The required waste-water flow is therefore
\[ \dot V_{\mathrm{water}} =\frac{\dot m_0}{c} =\frac{35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}} {0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}} =140.8\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
Hence,
\[ \boxed{\dot V_{\mathrm{water}}\approx1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 1987 · Theorieaufgabe 1
Kohlenhydratoxidation und Gärung in einer Kläranlage
Bei der Behandlung von Abwasser in einer Kläranlage werden 45 % des darin enthaltenen Kohlenhydrats \(\ce{(CH2O)_n}\) vollständig oxidiert, 10 % werden durch Gärung anaerob zersetzt (zwei Komponenten), und der Rest verbleibt im Klärschlamm. Die gesamte Gasbildung beträgt \(16\ \mathrm{m^3}\) pro Tag (\(25\ ^\circ\mathrm{C}\), \(100\ \mathrm{kPa}\)).
1.1 Welche Menge an Kohlenhydrat verbleibt im Klärschlamm, gemessen in kg pro Tag?
1.2 Berechnen Sie mithilfe der Verbrennungswärme von Methan (\(-882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)) die Energiemenge, die durch Verbrennung des pro Tag gebildeten Methans gewonnen werden kann.
1.3 Berechnen Sie aus der Kohlenhydratkonzentration im Abwasser von \(250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\) die täglich in der Anlage behandelte Abwassermenge in \(\mathrm{m^3}\) Wasser pro Tag.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
Auf zwei signifikante Stellen gerundet:
- 1.1: \(\boxed{16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}\) Kohlenhydrat verbleiben im Klärschlamm.
- 1.2: Bei der Verbrennung des Methans werden \(\boxed{52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}\) freigesetzt.
- 1.3: Die Anlage behandelt \(\boxed{1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}\) Abwasser.
Lösung
Die beteiligten molekularen Spezies sind Sauerstoff O=O, Kohlenstoffdioxid O=C=O, Wasser O und Methan C. Die Kohlenhydratformel \(\ce{(CH2O)_n}\) gibt eine empirische Zusammensetzung an, sodass ihr keine eindeutige Molekülstruktur oder SMILES-Darstellung zugeordnet werden kann. Eine „\(\ce{CH2O}\)-Einheit“ ist hier eine stöchiometrische Zähleinheit und kein eigenständiges Molekül.
1.1 — Im Klärschlamm verbleibendes Kohlenhydrat
Bei der vollständigen Oxidation entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser:
\[ \ce{(CH2O)_n + n O2 -> n CO2 + n H2O}. \]
Teil 1.2 nennt Methan als Gärungsprodukt; das andere gasförmige Produkt ist Kohlenstoffdioxid. Die mittlere Oxidationszahl des Kohlenstoffs im Kohlenhydrat ist null. Die Bildung von Methan, in dem der Kohlenstoff die Oxidationszahl \(-4\) besitzt, wird durch die Bildung der gleichen Stoffmenge an Kohlenstoffdioxid ausgeglichen, in dem der Kohlenstoff die Oxidationszahl \(+4\) besitzt:
\[ \ce{2 (CH2O)_n -> n CH4 + n CO2}. \]
Somit entstehen aus jedem Mol der Formeleinheiten des Kohlenhydrats:
- Durch vollständige Oxidation: \(1\ \mathrm{mol}\) \(\ce{CO2}\).
- Durch Gärung: \(0.5\ \mathrm{mol}\) \(\ce{CH4}\) und \(0.5\ \mathrm{mol}\) \(\ce{CO2}\).
Sei \(F\) die zugeführte Stoffmenge an \(\ce{CH2O}\)-Einheiten in \(\mathrm{mol\,day^{-1}}\). Wird die angegebene Gasbildung als Summe aus Kohlenstoffdioxid und Methan aufgefasst, gilt
\[ \dot n(\ce{CO2})=(0.45+0.10/2)F=0.50F, \]
\[ \dot n(\ce{CH4})=(0.10/2)F=0.05F, \]
also
\[ \dot n_{\mathrm{gas}}=0.55F. \]
Mit dem idealen Gasgesetz und \(T=298.15\ \mathrm{K}\) ergibt sich
\[ \dot n_{\mathrm{gas}} =\frac{p\dot V}{RT} =\frac{(1.00\times10^5\ \mathrm{Pa})(16\ \mathrm{m^3\,day^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(298.15\ \mathrm{K})} =645.5\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Daher gilt
\[ F=\frac{645.5}{0.55} =1.174\times10^3\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Der im Klärschlamm verbleibende Anteil beträgt
\[ 1-0.45-0.10=0.45. \]
Mit \(M(\ce{CH2O})=30.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ergibt sich
\[ \dot m_{\mathrm{sludge}} =0.45F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =15.84\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
Damit folgt
\[ \boxed{\dot m_{\mathrm{sludge}}\approx16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
1.2 — Energie aus der Methanverbrennung
Die Methanbildungsrate beträgt
\[ \dot n(\ce{CH4})=0.05F=58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Die Verbrennungsreaktion lautet
\[ \ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}. \]
Mit der gegebenen Verbrennungsenthalpie ergibt sich die pro Tag freigesetzte Wärmemenge als positiver Wert zu
\[ \dot E =-\dot n(\ce{CH4})\Delta_{\mathrm c}H =(58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}) (882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) =5.175\times10^4\ \mathrm{kJ\,day^{-1}}. \]
Somit gilt
\[ \boxed{\dot E\approx52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}. \]
1.3 — Täglich behandeltes Abwasservolumen
Die insgesamt zugeführte Kohlenhydratmasse beträgt
\[ \dot m_0=F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
Die angegebene Konzentration wird umgerechnet:
\[ 250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}} =250\ \mathrm{g\,m^{-3}} =0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Der gesuchte Abwasservolumenstrom beträgt daher
\[ \dot V_{\mathrm{water}} =\frac{\dot m_0}{c} =\frac{35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}} {0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}} =140.8\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
Damit folgt
\[ \boxed{\dot V_{\mathrm{water}}\approx1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1987 · Teori sorusu 1
Bir atık su arıtma tesisinde karbonhidratın yükseltgenmesi ve fermantasyonu
Bir atık su arıtma tesisinde atık su arıtılırken, içerdiği karbonhidratın \(\ce{(CH2O)_n}\) %45'i tamamen yükseltgenir, %10'u fermantasyon yoluyla anaerobik olarak ayrışır (iki bileşen oluşur) ve geri kalanı çamurda kalır. Toplam gaz oluşumu günde \(16\ \mathrm{m^3}\) kadardır (\(25\ ^\circ\mathrm{C}\), \(100\ \mathrm{kPa}\)).
1.1 Çamurda kalan karbonhidrat miktarı günde kaç kg'dır?
1.2 Metanın yanma ısısını (\(-882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)) kullanarak, bir günde oluşan metanın yakılmasıyla üretilebilecek enerji miktarını hesaplayınız.
1.3 Atık sudaki karbonhidrat derişiminin \(250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\) olduğunu bilerek, tesiste günlük olarak arıtılan atık su miktarını günde \(\mathrm{m^3}\) su cinsinden hesaplayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
İki anlamlı basamakla:
- 1.1: Çamurda \(\boxed{16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}\) karbonhidrat kalır.
- 1.2: Metanın yanmasıyla \(\boxed{52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}\) enerji açığa çıkar.
- 1.3: Tesis \(\boxed{1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}\) atık su arıtır.
Çözüm
Süreçte yer alan moleküler türler oksijen O=O, karbon dioksit O=C=O, su O ve metandır C. Karbonhidratın \(\ce{(CH2O)_n}\) formülü basit formül düzeyinde bir bileşim belirtir; bu nedenle buna tek bir moleküler yapı veya SMILES atanamaz. Burada bir “\(\ce{CH2O}\) birimi”, ayrı bir molekül değil, stokiyometrik bir sayım birimidir.
1.1 — Çamurda kalan karbonhidrat
Tam yükseltgenme sonucunda karbon dioksit ve su oluşur:
\[ \ce{(CH2O)_n + n O2 -> n CO2 + n H2O}. \]
Bölüm 1.2'de metanın bir fermantasyon ürünü olduğu belirtilmiştir; diğer gaz ürün karbon dioksittir. Karbonhidratta karbonun ortalama yükseltgenme basamağı sıfırdır. Karbonun yükseltgenme basamağının \(-4\) olduğu metanın oluşumu, karbonun yükseltgenme basamağının \(+4\) olduğu eşit miktarda karbon dioksitin oluşumuyla dengelenir:
\[ \ce{2 (CH2O)_n -> n CH4 + n CO2}. \]
Dolayısıyla, karbonhidratın bileşim birimlerinin her bir molünden şu miktarlarda ürün oluşur:
- Tam yükseltgenme yoluyla: \(1\ \mathrm{mol}\) \(\ce{CO2}\).
- Fermantasyon yoluyla: \(0.5\ \mathrm{mol}\) \(\ce{CH4}\) ve \(0.5\ \mathrm{mol}\) \(\ce{CO2}\).
\(F\), tesise giren \(\ce{CH2O}\) birimlerinin \(\mathrm{mol\,day^{-1}}\) cinsinden miktarı olsun. Belirtilen gaz oluşumu, karbon dioksit ve metanın toplamı olarak alındığında,
\[ \dot n(\ce{CO2})=(0.45+0.10/2)F=0.50F, \]
\[ \dot n(\ce{CH4})=(0.10/2)F=0.05F, \]
böylece
\[ \dot n_{\mathrm{gas}}=0.55F. \]
\(T=298.15\ \mathrm{K}\) için ideal gaz yasası kullanıldığında,
\[ \dot n_{\mathrm{gas}} =\frac{p\dot V}{RT} =\frac{(1.00\times10^5\ \mathrm{Pa})(16\ \mathrm{m^3\,day^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(298.15\ \mathrm{K})} =645.5\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Dolayısıyla,
\[ F=\frac{645.5}{0.55} =1.174\times10^3\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Çamurda kalan kesir
\[ 1-0.45-0.10=0.45. \]
\(M(\ce{CH2O})=30.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) kullanıldığında,
\[ \dot m_{\mathrm{sludge}} =0.45F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =15.84\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
Böylece,
\[ \boxed{\dot m_{\mathrm{sludge}}\approx16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
1.2 — Metanın yanmasından elde edilen enerji
Metan üretim hızı
\[ \dot n(\ce{CH4})=0.05F=58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Metanın yanma tepkimesi
\[ \ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}. \]
Verilen yanma entalpisi kullanıldığında, günlük olarak açığa çıkan ısının pozitif miktarı
\[ \dot E =-\dot n(\ce{CH4})\Delta_{\mathrm c}H =(58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}) (882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) =5.175\times10^4\ \mathrm{kJ\,day^{-1}}. \]
Dolayısıyla,
\[ \boxed{\dot E\approx52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}. \]
1.3 — Günlük olarak arıtılan atık su hacmi
Tesise giren toplam karbonhidrat kütlesi
\[ \dot m_0=F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
Verilen derişimin birimini dönüştürelim:
\[ 250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}} =250\ \mathrm{g\,m^{-3}} =0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Buna göre gerekli atık su debisi
\[ \dot V_{\mathrm{water}} =\frac{\dot m_0}{c} =\frac{35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}} {0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}} =140.8\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
Böylece,
\[ \boxed{\dot V_{\mathrm{water}}\approx1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1987 · Problema teórico 1
Oxidación y fermentación de carbohidratos en una planta depuradora de aguas residuales
Durante el tratamiento de aguas residuales en una planta depuradora, el 45 % de sus carbohidratos \(\ce{(CH2O)_n}\) se oxida completamente, el 10 % experimenta una descomposición anaerobia por fermentación (dos componentes) y el resto permanece en los lodos. La producción total de gas es de \(16\ \mathrm{m^3}\) por día (\(25\ ^\circ\mathrm{C}\), \(100\ \mathrm{kPa}\)).
1.1 ¿Cuál es la cantidad de carbohidratos que permanece en los lodos, expresada en kg por día?
1.2 Utilizando el calor de combustión del metano (\(-882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)), calcule la cantidad de energía que puede producirse mediante la combustión del metano formado por día.
1.3 Sabiendo que la concentración de carbohidratos en las aguas residuales es de \(250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\), calcule la cantidad diaria de aguas residuales tratadas en la planta en \(\mathrm{m^3}\) de agua por día.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
Con dos cifras significativas:
- 1.1: Permanecen \(\boxed{16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}\) de carbohidratos en los lodos.
- 1.2: La combustión del metano libera \(\boxed{52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}\).
- 1.3: La planta trata \(\boxed{1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}\) de aguas residuales.
Solución
Las especies moleculares que intervienen son oxígeno O=O, dióxido de carbono O=C=O, agua O y metano C. La fórmula de los carbohidratos \(\ce{(CH2O)_n}\) especifica una composición empírica, por lo que no se le puede asignar una estructura molecular ni una representación SMILES únicas. Aquí, una «unidad de \(\ce{CH2O}\)» es una unidad de recuento estequiométrico, no una molécula independiente.
1.1 — Carbohidratos que permanecen en los lodos
La oxidación completa produce dióxido de carbono y agua:
\[ \ce{(CH2O)_n + n O2 -> n CO2 + n H2O}. \]
La parte 1.2 identifica el metano como un producto de la fermentación; el otro producto gaseoso es el dióxido de carbono. El estado de oxidación medio del carbono en los carbohidratos es cero. La formación de metano, con el carbono en \(-4\), se compensa con la formación de una cantidad igual de dióxido de carbono, con el carbono en \(+4\):
\[ \ce{2 (CH2O)_n -> n CH4 + n CO2}. \]
Así, cada mol de unidades de composición de los carbohidratos produce:
- Por oxidación completa: \(1\ \mathrm{mol}\) de \(\ce{CO2}\).
- Por fermentación: \(0.5\ \mathrm{mol}\) de \(\ce{CH4}\) y \(0.5\ \mathrm{mol}\) de \(\ce{CO2}\).
Sea \(F\) la cantidad entrante de unidades de \(\ce{CH2O}\) en \(\mathrm{mol\,day^{-1}}\). Considerando que la producción de gas indicada corresponde al conjunto del dióxido de carbono y el metano,
\[ \dot n(\ce{CO2})=(0.45+0.10/2)F=0.50F, \]
\[ \dot n(\ce{CH4})=(0.10/2)F=0.05F, \]
por lo que
\[ \dot n_{\mathrm{gas}}=0.55F. \]
Utilizando la ley de los gases ideales con \(T=298.15\ \mathrm{K}\),
\[ \dot n_{\mathrm{gas}} =\frac{p\dot V}{RT} =\frac{(1.00\times10^5\ \mathrm{Pa})(16\ \mathrm{m^3\,day^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(298.15\ \mathrm{K})} =645.5\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Por tanto,
\[ F=\frac{645.5}{0.55} =1.174\times10^3\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
La fracción que permanece en los lodos es
\[ 1-0.45-0.10=0.45. \]
Utilizando \(M(\ce{CH2O})=30.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ \dot m_{\mathrm{sludge}} =0.45F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =15.84\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
Por consiguiente,
\[ \boxed{\dot m_{\mathrm{sludge}}\approx16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
1.2 — Energía procedente de la combustión del metano
La tasa de producción de metano es
\[ \dot n(\ce{CH4})=0.05F=58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Su reacción de combustión es
\[ \ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}. \]
Utilizando la entalpía de combustión dada, la cantidad positiva de calor liberado por día es
\[ \dot E =-\dot n(\ce{CH4})\Delta_{\mathrm c}H =(58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}) (882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) =5.175\times10^4\ \mathrm{kJ\,day^{-1}}. \]
Así,
\[ \boxed{\dot E\approx52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}. \]
1.3 — Volumen diario de aguas residuales tratadas
La masa total entrante de carbohidratos es
\[ \dot m_0=F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
Convierta la concentración dada:
\[ 250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}} =250\ \mathrm{g\,m^{-3}} =0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
El caudal de aguas residuales requerido es, por tanto,
\[ \dot V_{\mathrm{water}} =\frac{\dot m_0}{c} =\frac{35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}} {0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}} =140.8\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
Por consiguiente,
\[ \boxed{\dot V_{\mathrm{water}}\approx1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1987 · 理论题 1
污水处理厂中碳水化合物的氧化与发酵
在污水处理厂处理污水时,其中 45 % 的碳水化合物 \(\ce{(CH2O)_n}\) 被完全氧化,10 % 通过发酵发生厌氧分解(生成两种组分),其余部分留在污泥中。每天产生的气体总体积为 \(16\ \mathrm{m^3}\)(\(25\ ^\circ\mathrm{C}\),\(100\ \mathrm{kPa}\))。
1.1 每天留在污泥中的碳水化合物的质量是多少(以 kg 计)?
1.2 利用甲烷的燃烧热(\(-882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)),计算燃烧每天生成的甲烷所能产生的能量。
1.3 已知污水中碳水化合物的浓度为 \(250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\),计算该厂每天处理的污水体积,以每天处理的水的 \(\mathrm{m^3}\) 数表示。
题目译自官方英文原文。
答案
保留两位有效数字:
- 1.1: 留在污泥中的碳水化合物为 \(\boxed{16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}\)。
- 1.2: 甲烷燃烧释放的能量为 \(\boxed{52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}\)。
- 1.3: 该厂处理的污水量为 \(\boxed{1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}\)。
解答
涉及的分子种类有氧气 O=O、二氧化碳 O=C=O、水 O 和甲烷 C。碳水化合物的化学式 \(\ce{(CH2O)_n}\) 表示其最简组成,因此无法为其指定唯一的分子结构或 SMILES。这里,“\(\ce{CH2O}\) 单元”是用于化学计量的计数单元,并非独立的分子。
1.1 — 留在污泥中的碳水化合物
完全氧化生成二氧化碳和水:
\[ \ce{(CH2O)_n + n O2 -> n CO2 + n H2O}. \]
第 1.2 部分指出甲烷是发酵产物之一;另一种气态产物是二氧化碳。碳水化合物中碳的平均氧化数为零。生成甲烷时,碳的氧化数变为 \(-4\);生成等物质的量的二氧化碳时,碳的氧化数变为 \(+4\),两者相互平衡:
\[ \ce{2 (CH2O)_n -> n CH4 + n CO2}. \]
因此,每摩尔碳水化合物组成单元生成:
- 经完全氧化:\(1\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\)。
- 经发酵:\(0.5\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{CH4}\) 和 \(0.5\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\)。
设输入的 \(\ce{CH2O}\) 单元的物质的量流率为 \(F\),单位为 \(\mathrm{mol\,day^{-1}}\)。将题给的气体生成量计为二氧化碳与甲烷的总量,则
\[ \dot n(\ce{CO2})=(0.45+0.10/2)F=0.50F, \]
\[ \dot n(\ce{CH4})=(0.10/2)F=0.05F, \]
所以
\[ \dot n_{\mathrm{gas}}=0.55F. \]
取 \(T=298.15\ \mathrm{K}\),利用理想气体状态方程,
\[ \dot n_{\mathrm{gas}} =\frac{p\dot V}{RT} =\frac{(1.00\times10^5\ \mathrm{Pa})(16\ \mathrm{m^3\,day^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(298.15\ \mathrm{K})} =645.5\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
因此,
\[ F=\frac{645.5}{0.55} =1.174\times10^3\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
留在污泥中的比例为
\[ 1-0.45-0.10=0.45. \]
取 \(M(\ce{CH2O})=30.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ \dot m_{\mathrm{sludge}} =0.45F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =15.84\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
因此,
\[ \boxed{\dot m_{\mathrm{sludge}}\approx16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
1.2 — 甲烷燃烧释放的能量
甲烷的生成速率为
\[ \dot n(\ce{CH4})=0.05F=58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
其燃烧反应为
\[ \ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}. \]
利用给定的燃烧焓,每天释放的热量(取正值)为
\[ \dot E =-\dot n(\ce{CH4})\Delta_{\mathrm c}H =(58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}) (882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) =5.175\times10^4\ \mathrm{kJ\,day^{-1}}. \]
因此,
\[ \boxed{\dot E\approx52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}. \]
1.3 — 每天处理的污水体积
输入的碳水化合物总质量流率为
\[ \dot m_0=F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
换算给定浓度的单位:
\[ 250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}} =250\ \mathrm{g\,m^{-3}} =0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
因此,所求的污水体积流量为
\[ \dot V_{\mathrm{water}} =\frac{\dot m_0}{c} =\frac{35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}} {0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}} =140.8\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
因此,
\[ \boxed{\dot V_{\mathrm{water}}\approx1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 1987 · Теоретическая задача 1
Окисление и брожение углеводов на станции очистки сточных вод
При очистке сточных вод на очистной станции 45 % содержащегося в них углевода \(\ce{(CH2O)_n}\) полностью окисляется, 10 % подвергается анаэробному разложению путём брожения (два компонента), а остальная часть остаётся в иле. Общий объём образующегося газа составляет \(16\ \mathrm{m^3}\) в сутки (\(25\ ^\circ\mathrm{C}\), \(100\ \mathrm{kPa}\)).
1.1 Какова масса углевода, остающегося в иле, в кг в сутки?
1.2 Используя теплоту сгорания метана (\(-882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)), рассчитайте количество энергии, которое можно получить при сжигании метана, образующегося за сутки.
1.3 Зная, что концентрация углевода в сточных водах составляет \(250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\), рассчитайте суточный объём сточных вод, перерабатываемых на станции, в \(\mathrm{m^3}\) воды в сутки.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
С точностью до двух значащих цифр:
- 1.1: В иле остаётся \(\boxed{16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}\) углевода.
- 1.2: При сгорании метана выделяется \(\boxed{52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}\).
- 1.3: Станция перерабатывает \(\boxed{1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}\) сточных вод.
Решение
В рассматриваемых процессах участвуют следующие молекулярные вещества: кислород O=O, диоксид углерода O=C=O, вода O и метан C. Формула углевода \(\ce{(CH2O)_n}\) задаёт эмпирический состав, поэтому ей нельзя однозначно сопоставить молекулярную структуру или запись SMILES. Здесь «единица \(\ce{CH2O}\)» — это стехиометрическая единица счёта, а не отдельная молекула.
1.1 — Углевод, остающийся в иле
При полном окислении образуются диоксид углерода и вода:
\[ \ce{(CH2O)_n + n O2 -> n CO2 + n H2O}. \]
В части 1.2 метан указан как продукт брожения; другим газообразным продуктом является диоксид углерода. Средняя степень окисления углерода в углеводе равна нулю. Образование метана, в котором степень окисления углерода равна \(-4\), уравновешивается образованием равного количества диоксида углерода, в котором степень окисления углерода равна \(+4\):
\[ \ce{2 (CH2O)_n -> n CH4 + n CO2}. \]
Таким образом, каждый моль единиц состава углевода даёт:
- При полном окислении: \(1\ \mathrm{mol}\) \(\ce{CO2}\).
- При брожении: \(0.5\ \mathrm{mol}\) \(\ce{CH4}\) и \(0.5\ \mathrm{mol}\) \(\ce{CO2}\).
Пусть \(F\) — количество поступающих единиц \(\ce{CH2O}\), выраженное в \(\mathrm{mol\,day^{-1}}\). Считая, что указанный объём образующегося газа соответствует суммарному количеству диоксида углерода и метана, получаем:
\[ \dot n(\ce{CO2})=(0.45+0.10/2)F=0.50F, \]
\[ \dot n(\ce{CH4})=(0.10/2)F=0.05F, \]
следовательно,
\[ \dot n_{\mathrm{gas}}=0.55F. \]
Используя уравнение состояния идеального газа при \(T=298.15\ \mathrm{K}\), получаем:
\[ \dot n_{\mathrm{gas}} =\frac{p\dot V}{RT} =\frac{(1.00\times10^5\ \mathrm{Pa})(16\ \mathrm{m^3\,day^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(298.15\ \mathrm{K})} =645.5\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Следовательно,
\[ F=\frac{645.5}{0.55} =1.174\times10^3\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Доля углевода, остающегося в иле, составляет
\[ 1-0.45-0.10=0.45. \]
Используя \(M(\ce{CH2O})=30.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), получаем:
\[ \dot m_{\mathrm{sludge}} =0.45F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =15.84\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
Отсюда
\[ \boxed{\dot m_{\mathrm{sludge}}\approx16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
1.2 — Энергия, получаемая при сгорании метана
Скорость образования метана составляет
\[ \dot n(\ce{CH4})=0.05F=58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
Реакция его сгорания имеет вид
\[ \ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}. \]
Используя заданную энтальпию сгорания, получаем положительную величину количества теплоты, выделяющейся за сутки:
\[ \dot E =-\dot n(\ce{CH4})\Delta_{\mathrm c}H =(58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}) (882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) =5.175\times10^4\ \mathrm{kJ\,day^{-1}}. \]
Таким образом,
\[ \boxed{\dot E\approx52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}. \]
1.3 — Суточный объём перерабатываемых сточных вод
Общая масса поступающего углевода составляет
\[ \dot m_0=F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
Переведём заданную концентрацию в другие единицы:
\[ 250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}} =250\ \mathrm{g\,m^{-3}} =0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Следовательно, искомый расход сточных вод равен
\[ \dot V_{\mathrm{water}} =\frac{\dot m_0}{c} =\frac{35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}} {0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}} =140.8\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
Отсюда
\[ \boxed{\dot V_{\mathrm{water}}\approx1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1987 · مسألة نظرية 1
أكسدة الكربوهيدرات وتخمّرها في محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي
عند معالجة مياه الصرف في محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي، يتأكسد 45 % من محتواها من الكربوهيدرات \(\ce{(CH2O)_n}\) أكسدةً تامة، ويخضع 10 % منه للتحلل اللاهوائي بالتخمّر (مكوّنان)، ويبقى الباقي في الحمأة. يبلغ إجمالي حجم الغاز المتكوّن \(16\ \mathrm{m^3}\) يوميًا (\(25\ ^\circ\mathrm{C}\)، \(100\ \mathrm{kPa}\)).
1.1 ما كمية الكربوهيدرات المتبقية في الحمأة مقيسةً بالكيلوغرام في اليوم؟
1.2 باستخدام حرارة احتراق الميثان (\(-882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\))، احسب كمية الطاقة التي يمكن إنتاجها باحتراق الميثان المتكوّن يوميًا.
1.3 علمًا بأن تركيز الكربوهيدرات في مياه الصرف يساوي \(250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\)، احسب الكمية اليومية من مياه الصرف التي تُعالَج في المحطة بوحدة \(\mathrm{m^3}\) من الماء في اليوم.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
برقمين معنويين:
- 1.1: يتبقى في الحمأة \(\boxed{16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}\) من الكربوهيدرات.
- 1.2: يحرّر احتراق الميثان \(\boxed{52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}\).
- 1.3: تعالج المحطة \(\boxed{1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}\) من مياه الصرف.
الحل
الأنواع الجزيئية المعنية هي الأكسجين O=O، وثاني أكسيد الكربون O=C=O، والماء O، والميثان C. تحدّد صيغة الكربوهيدرات \(\ce{(CH2O)_n}\) تركيبًا تجريبيًا، ولذلك لا يمكن إسناد بنية جزيئية وحيدة أو تمثيل SMILES وحيد إليها. والمقصود هنا بـ«وحدة \(\ce{CH2O}\)» وحدة عدّ ستوكيومترية، وليس جزيئًا مستقلًا.
1.1 — الكربوهيدرات المتبقية في الحمأة
تنتج الأكسدة التامة ثاني أكسيد الكربون والماء:
\[ \ce{(CH2O)_n + n O2 -> n CO2 + n H2O}. \]
يحدّد الجزء 1.2 الميثان بوصفه أحد نواتج التخمّر؛ أما الناتج الغازي الآخر فهو ثاني أكسيد الكربون. متوسط عدد تأكسد الكربون في الكربوهيدرات يساوي صفرًا. ويتوازن تكوّن الميثان، الذي يكون فيه عدد تأكسد الكربون \(-4\)، مع تكوّن كمية مساوية من ثاني أكسيد الكربون، الذي يكون فيه عدد تأكسد الكربون \(+4\):
\[ \ce{2 (CH2O)_n -> n CH4 + n CO2}. \]
وعليه، ينتج كل مول من وحدات تركيب الكربوهيدرات ما يأتي:
- بالأكسدة التامة: \(1\ \mathrm{mol}\) من \(\ce{CO2}\).
- بالتخمّر: \(0.5\ \mathrm{mol}\) من \(\ce{CH4}\) و\(0.5\ \mathrm{mol}\) من \(\ce{CO2}\).
لتكن \(F\) كمية وحدات \(\ce{CH2O}\) الداخلة بوحدة \(\mathrm{mol\,day^{-1}}\). وباعتبار كمية الغاز المتكوّن المذكورة مجموع ثاني أكسيد الكربون والميثان،
\[ \dot n(\ce{CO2})=(0.45+0.10/2)F=0.50F, \]
\[ \dot n(\ce{CH4})=(0.10/2)F=0.05F, \]
ومن ثم
\[ \dot n_{\mathrm{gas}}=0.55F. \]
باستخدام قانون الغاز المثالي عند \(T=298.15\ \mathrm{K}\)،
\[ \dot n_{\mathrm{gas}} =\frac{p\dot V}{RT} =\frac{(1.00\times10^5\ \mathrm{Pa})(16\ \mathrm{m^3\,day^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}})(298.15\ \mathrm{K})} =645.5\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
إذن،
\[ F=\frac{645.5}{0.55} =1.174\times10^3\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
الكسر المتبقي في الحمأة هو
\[ 1-0.45-0.10=0.45. \]
باستخدام \(M(\ce{CH2O})=30.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)،
\[ \dot m_{\mathrm{sludge}} =0.45F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =15.84\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
وعليه،
\[ \boxed{\dot m_{\mathrm{sludge}}\approx16\ \mathrm{kg\,day^{-1}}}. \]
1.2 — الطاقة الناتجة من احتراق الميثان
معدل إنتاج الميثان هو
\[ \dot n(\ce{CH4})=0.05F=58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}. \]
وتفاعل احتراقه هو
\[ \ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}. \]
باستخدام إنثالبي الاحتراق المعطى، تكون كمية الحرارة المنطلقة يوميًا، معبّرًا عنها بقيمة موجبة،
\[ \dot E =-\dot n(\ce{CH4})\Delta_{\mathrm c}H =(58.68\ \mathrm{mol\,day^{-1}}) (882\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) =5.175\times10^4\ \mathrm{kJ\,day^{-1}}. \]
إذن،
\[ \boxed{\dot E\approx52\ \mathrm{MJ\,day^{-1}}}. \]
1.3 — الحجم اليومي لمياه الصرف المعالَجة
الكتلة الكلية للكربوهيدرات الداخلة هي
\[ \dot m_0=F(30.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}) =35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}. \]
نحوّل التركيز المعطى:
\[ 250\ \mathrm{mg\,dm^{-3}} =250\ \mathrm{g\,m^{-3}} =0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
وعليه، فإن معدل التدفق الحجمي المطلوب لمياه الصرف هو
\[ \dot V_{\mathrm{water}} =\frac{\dot m_0}{c} =\frac{35.21\ \mathrm{kg\,day^{-1}}} {0.250\ \mathrm{kg\,m^{-3}}} =140.8\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}. \]
وعليه،
\[ \boxed{\dot V_{\mathrm{water}}\approx1.4\times10^2\ \mathrm{m^3\,day^{-1}}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.