IChO 1989 · Theory problem 2
Synthesis gas: compression work and the CO conversion equilibrium
A mixture of gases containing mainly carbon monoxide and hydrogen is produced by the reaction of alkanes with steam:

2.1 Using equations (1) and (2) write down an overall reaction (3) so that the net enthalpy change is zero.
2.2 The synthesis of methanol from carbon monoxide and hydrogen is carried out either
a) in two steps, where the starting mixture corresponding to equation (3) is compressed from \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) to \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\), and the mixture of products thereof compressed again from \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\) to \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\)
or
b) in one step, where the mixture of products corresponding to equation (3) is compressed from \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) to \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\).
Calculate the work of compression, \(W_a\), according to the two step reaction for \(100\ \mathrm{cm^3}\) of starting mixture and calculate the difference in the work of compression between the reactions 1 and 2.
Assume for calculations a complete reaction at constant pressure. Temperature remains constant at \(500\ \mathrm{K}\), ideal gas behaviour is assumed.
To produce hydrogen for the synthesis of ammonia, a mixture of \(40.0\ \mathrm{mol}\) CO and \(40.0\ \mathrm{mol}\) of hydrogen, \(18.0\ \mathrm{mol}\) of carbon dioxide and \(2.0\ \mathrm{mol}\) of nitrogen are in contact with \(200.0\ \mathrm{mol}\) of steam in a reactor where the conversion equilibrium is established.

2.3 Calculate the number of moles of each gas leaving the reactor.
Official English text of the problem.
Answers
- 2.1 — Using the enthalpies exactly as printed: \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}},\qquad \Delta H=0. \] This is \(6(1)-(2)\), requiring reversal of reaction (2). No nonzero combination of both reactions in the forward direction has zero enthalpy with the printed positive values.
If equation (1) was intended to have \(\Delta H=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\): \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}},\qquad \Delta H=0. \]
- 2.2 — Reversible isothermal compression, with work positive when supplied to the gas:
| Enthalpy interpretation | \(W_a\) | \(W_b\) | Saving, \(W_b-W_a\) |
|---|---|---|---|
| Values as printed | \(\boxed{47.0\ \mathrm{J}}\) | \(76.8\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{29.8\ \mathrm{J}}\) |
| If \(\Delta H_1=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | \(\boxed{47.9\ \mathrm{J}}\) | \(81.9\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{34.0\ \mathrm{J}}\) |
- 2.3 — A numerical composition cannot be determined from the data given: an equilibrium constant or equivalent datum is missing. If \(x\ \mathrm{mol}\) undergoes forward conversion, \[ \boxed{ \begin{aligned} n_{\ce{CO}}&=(40.0-x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2}}&=(40.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{CO2}}&=(18.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{N2}}&=2.0\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2O}}&=(200.0-x)\ \mathrm{mol}. \end{aligned}} \]
Solution
Molecular names and SMILES used here are: methane C; molecular oxygen O=O; carbon monoxide [C-]#[O+]; hydrogen [H][H]; water, including steam, O; methanol CO; carbon dioxide O=C=O; nitrogen N#N; and ammonia N.
2.1
The supplied reactions are \[ \ce{CH4 + 1/2 O2 -> CO + 2H2}, \qquad \Delta H_1=+36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] and \[ \ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2}, \qquad \Delta H_2=+216\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
For a linear combination \(a(1)+b(2)\) to have zero enthalpy, \[ 36a+216b=0. \] Thus \(a=-6b\): the two coefficients must have opposite signs.
Choosing \(a=6\) and \(b=-1\), multiply reaction (1) by six and reverse reaction (2): \[ \ce{6CH4 + 3O2 -> 6CO + 12H2}, \] \[ \ce{CO + 3H2 -> CH4 + H2O}. \] Adding and cancelling gives \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}}. \tag{3, printed data} \] Its enthalpy is \[ \Delta H=6(36)-216=0. \]
If the first enthalpy was intended to be negative, six forward partial-oxidation reactions instead supply the heat for one forward steam-reforming reaction: \[ 6(-36)+216=0. \] Then \(6(1)+(2)\) gives \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}}. \tag{3, conditional correction} \]
2.2
Methanol formation is \[ \ce{CO + 2H2 -> CH3OH}. \] The compression comparison explicitly refers to the reactant and product mixtures of reaction (3). Accordingly:
- Route (a) compresses the reactants to \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\), completes reaction (3) at that pressure, then compresses its products to \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\).
- Route (b) completes reaction (3) at the initial pressure, then compresses its products directly to \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\).
Both routes are compared for the same initial \(100\ \mathrm{cm^3}\) reactant charge.
For reversible isothermal compression of an ideal gas, the work supplied is \[ W=-\int_{V_i}^{V_f}p\,dV =nRT\ln\!\left(\frac{V_i}{V_f}\right) =nRT\ln\!\left(\frac{p_f}{p_i}\right). \]
Let \(n_0\) be the initial amount and \(r=n_{\mathrm{products}}/n_0\) the mole-number ratio for complete reaction (3). From the initial state, \[ n_0RT=p_0V_0 =(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa})(100\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}) =10\ \mathrm{J}. \] Thus the specified temperature need not be substituted separately.
For route (a), \[ \begin{aligned} W_a &=n_0RT\ln\!\left(\frac{3\times10^6}{0.1\times10^6}\right) +rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{3\times10^6}\right)\\ &=(10\ \mathrm{J})[\ln30+r\ln2]. \end{aligned} \]
For route (b), \[ W_b=rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{0.1\times10^6}\right) =(10\ \mathrm{J})r\ln60. \]
Therefore, \[ \boxed{W_b-W_a=(10\ \mathrm{J})(r-1)\ln30}. \] Route (a) saves work because fewer moles undergo the initial compression.
With the printed enthalpies, reaction (3) converts \(5+3=8\) moles of reactants into \(5+9+1=15\) moles of products, so \[ r=\frac{15}{8}. \] Consequently, \[ W_a=10\left[\ln30+\frac{15}{8}\ln2\right]\ \mathrm{J} =\boxed{47.0\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=10\left(\frac{15}{8}\right)\ln60\ \mathrm{J} =76.8\ \mathrm{J}, \] \[ \boxed{W_b-W_a=29.8\ \mathrm{J}}. \]
With the conditional negative sign for \(\Delta H_1\), reaction (3) converts \(7+3+1=11\) moles into \(7+15=22\) moles, giving \(r=2\). Hence \[ \boxed{W_a=10[\ln30+2\ln2]\ \mathrm{J}=47.9\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=20\ln60\ \mathrm{J}=81.9\ \mathrm{J}, \qquad \boxed{W_b-W_a=34.0\ \mathrm{J}}. \]
These are compressor works; they do not include the expansion work during the constant-pressure chemical reaction.
2.3
The water-gas shift equilibrium is \[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
Let \(x\ \mathrm{mol}\) react in the forward direction. Stoichiometry gives:
| Gas | Initial amount / mol | Change / mol | Outlet amount / mol |
|---|---|---|---|
| Carbon monoxide, \(\ce{CO}\) | \(40.0\) | \(-x\) | \(40.0-x\) |
| Hydrogen, \(\ce{H2}\) | \(40.0\) | \(+x\) | \(40.0+x\) |
| Carbon dioxide, \(\ce{CO2}\) | \(18.0\) | \(+x\) | \(18.0+x\) |
| Nitrogen, \(\ce{N2}\) | \(2.0\) | \(0\) | \(2.0\) |
| Water vapour, \(\ce{H2O}\) | \(200.0\) | \(-x\) | \(200.0-x\) |
Nitrogen is unchanged. The total gas amount remains \(300.0\ \mathrm{mol}\), since the reaction has no net change in gaseous mole number.
For ideal gases, the equilibrium condition is \[ K_p =\frac{p_{\ce{CO2}}p_{\ce{H2}}} {p_{\ce{CO}}p_{\ce{H2O}}} =\frac{(18.0+x)(40.0+x)} {(40.0-x)(200.0-x)}. \] The total pressure cancels. Equivalently, \[ (1-K_p)x^2+(58.0+240.0K_p)x+720.0-8000.0K_p=0. \]
A supplied value of \(K_p\) would determine the physically admissible root, with \[ -18.0<x<40.0 \] for a finite positive equilibrium constant. Negative \(x\) would signify net reverse conversion.
However, the problem gives neither \(K_p\) nor equivalent data from which it can be calculated. The initial reaction quotient, \[ Q_{p,0}=\frac{18.0\times40.0}{40.0\times200.0}=0.0900, \] does not establish the equilibrium constant. Therefore, the outlet amounts can only be stated in the parameterized form above. The complete-reaction assumption in 2.2 does not determine this separately specified equilibrium.
The solution was checked against the official solution. Where this solution differs from the official solution, the official solution contains an error or a misprint.
IChO 1989 · Theorieaufgabe 2
Synthesegas: Kompressionsarbeit und das CO-Konvertierungsgleichgewicht
Ein Gasgemisch, das hauptsächlich Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff enthält, wird durch die Reaktion von Alkanen mit Wasserdampf hergestellt:

2.1 Stellen Sie mithilfe der Gleichungen (1) und (2) eine Gesamtreaktion (3) auf, sodass die gesamte Enthalpieänderung null beträgt.
2.2 Die Synthese von Methanol aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff erfolgt entweder
a) in zwei Schritten, wobei das Ausgangsgemisch gemäß Gleichung (3) von \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) auf \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\) komprimiert wird und das daraus entstehende Produktgemisch anschließend nochmals von \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\) auf \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\) komprimiert wird
oder
b) in einem Schritt, wobei das Produktgemisch gemäß Gleichung (3) von \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) auf \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\) komprimiert wird.
Berechnen Sie die Kompressionsarbeit \(W_a\) für die zweistufige Reaktion für \(100\ \mathrm{cm^3}\) Ausgangsgemisch und berechnen Sie die Differenz der Kompressionsarbeiten zwischen den Reaktionen 1 und 2.
Nehmen Sie für die Berechnungen einen vollständigen Umsatz bei konstantem Druck an. Die Temperatur bleibt konstant bei \(500\ \mathrm{K}\); ideales Gasverhalten wird vorausgesetzt.
Zur Herstellung von Wasserstoff für die Ammoniaksynthese wird ein Gemisch aus \(40.0\ \mathrm{mol}\) CO und \(40.0\ \mathrm{mol}\) Wasserstoff, \(18.0\ \mathrm{mol}\) Kohlenstoffdioxid und \(2.0\ \mathrm{mol}\) Stickstoff in einem Reaktor mit \(200.0\ \mathrm{mol}\) Wasserdampf in Kontakt gebracht, wobei sich das Konvertierungsgleichgewicht einstellt.

2.3 Berechnen Sie die Stoffmenge jedes Gases, das den Reaktor verlässt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 2.1 — Bei Verwendung der Enthalpien genau wie abgedruckt: \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}},\qquad \Delta H=0. \] Dies entspricht \(6(1)-(2)\) und erfordert die Umkehrung von Reaktion (2). Mit den abgedruckten positiven Werten hat keine von null verschiedene Kombination beider Reaktionen in Vorwärtsrichtung die Enthalpie null.
Falls in Gleichung (1) \(\Delta H=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) gemeint war: \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}},\qquad \Delta H=0. \]
- 2.2 — Reversible isotherme Kompression, wobei dem Gas zugeführte Arbeit positiv gezählt wird:
| Interpretation der Enthalpien | \(W_a\) | \(W_b\) | Einsparung, \(W_b-W_a\) |
|---|---|---|---|
| Werte wie abgedruckt | \(\boxed{47.0\ \mathrm{J}}\) | \(76.8\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{29.8\ \mathrm{J}}\) |
| Falls \(\Delta H_1=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | \(\boxed{47.9\ \mathrm{J}}\) | \(81.9\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{34.0\ \mathrm{J}}\) |
- 2.3 — Aus den gegebenen Daten lässt sich keine zahlenmäßige Zusammensetzung bestimmen: Es fehlt eine Gleichgewichtskonstante oder eine gleichwertige Angabe. Wenn \(x\ \mathrm{mol}\) in Vorwärtsrichtung umgesetzt werden, \[ \boxed{ \begin{aligned} n_{\ce{CO}}&=(40.0-x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2}}&=(40.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{CO2}}&=(18.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{N2}}&=2.0\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2O}}&=(200.0-x)\ \mathrm{mol}. \end{aligned}} \]
Lösung
Die hier verwendeten Molekülnamen und SMILES sind: Methan C; molekularer Sauerstoff O=O; Kohlenstoffmonoxid [C-]#[O+]; Wasserstoff [H][H]; Wasser, einschließlich Wasserdampf, O; Methanol CO; Kohlenstoffdioxid O=C=O; Stickstoff N#N; und Ammoniak N.
2.1
Die angegebenen Reaktionen lauten \[ \ce{CH4 + 1/2 O2 -> CO + 2H2}, \qquad \Delta H_1=+36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] und \[ \ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2}, \qquad \Delta H_2=+216\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
Damit eine Linearkombination \(a(1)+b(2)\) die Enthalpie null hat, muss gelten: \[ 36a+216b=0. \] Somit gilt \(a=-6b\): Die beiden Koeffizienten müssen entgegengesetzte Vorzeichen haben.
Wählt man \(a=6\) und \(b=-1\), multipliziert man Reaktion (1) mit sechs und kehrt Reaktion (2) um: \[ \ce{6CH4 + 3O2 -> 6CO + 12H2}, \] \[ \ce{CO + 3H2 -> CH4 + H2O}. \] Addition und Kürzen ergeben \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}}. \tag{3, printed data} \] Die zugehörige Enthalpie ist \[ \Delta H=6(36)-216=0. \]
Falls die erste Enthalpie negativ gemeint war, liefern stattdessen sechs in Vorwärtsrichtung ablaufende Partialoxidationsreaktionen die Wärme für eine in Vorwärtsrichtung ablaufende Dampfreformierungsreaktion: \[ 6(-36)+216=0. \] Dann ergibt \(6(1)+(2)\) \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}}. \tag{3, conditional correction} \]
2.2
Die Methanolbildung lautet \[ \ce{CO + 2H2 -> CH3OH}. \] Der Vergleich der Kompressionen bezieht sich ausdrücklich auf die Edukt- und Produktgemische von Reaktion (3). Dementsprechend gilt:
- Bei Weg (a) werden die Edukte auf \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\) komprimiert, Reaktion (3) wird bei diesem Druck vollständig durchgeführt, und anschließend werden ihre Produkte auf \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\) komprimiert.
- Bei Weg (b) wird Reaktion (3) beim Anfangsdruck vollständig durchgeführt, und anschließend werden ihre Produkte direkt auf \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\) komprimiert.
Beide Wege werden für dieselbe anfängliche Eduktmenge mit einem Volumen von \(100\ \mathrm{cm^3}\) verglichen.
Bei der reversiblen isothermen Kompression eines idealen Gases beträgt die zugeführte Arbeit \[ W=-\int_{V_i}^{V_f}p\,dV =nRT\ln\!\left(\frac{V_i}{V_f}\right) =nRT\ln\!\left(\frac{p_f}{p_i}\right). \]
Sei \(n_0\) die anfängliche Stoffmenge und \(r=n_{\mathrm{products}}/n_0\) das Stoffmengenverhältnis bei vollständigem Ablauf von Reaktion (3). Aus dem Anfangszustand folgt \[ n_0RT=p_0V_0 =(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa})(100\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}) =10\ \mathrm{J}. \] Die angegebene Temperatur muss daher nicht gesondert eingesetzt werden.
Für Weg (a) gilt \[ \begin{aligned} W_a &=n_0RT\ln\!\left(\frac{3\times10^6}{0.1\times10^6}\right) +rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{3\times10^6}\right)\\ &=(10\ \mathrm{J})[\ln30+r\ln2]. \end{aligned} \]
Für Weg (b) gilt \[ W_b=rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{0.1\times10^6}\right) =(10\ \mathrm{J})r\ln60. \]
Daher gilt \[ \boxed{W_b-W_a=(10\ \mathrm{J})(r-1)\ln30}. \] Weg (a) spart Arbeit, da bei der ersten Kompression eine geringere Stoffmenge komprimiert wird.
Mit den abgedruckten Enthalpien werden in Reaktion (3) \(5+3=8\) Mol Edukte in \(5+9+1=15\) Mol Produkte umgewandelt, sodass \[ r=\frac{15}{8}. \] Folglich gilt \[ W_a=10\left[\ln30+\frac{15}{8}\ln2\right]\ \mathrm{J} =\boxed{47.0\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=10\left(\frac{15}{8}\right)\ln60\ \mathrm{J} =76.8\ \mathrm{J}, \] \[ \boxed{W_b-W_a=29.8\ \mathrm{J}}. \]
Mit dem unter Vorbehalt angenommenen negativen Vorzeichen für \(\Delta H_1\) werden in Reaktion (3) \(7+3+1=11\) Mol in \(7+15=22\) Mol umgewandelt, woraus sich \(r=2\) ergibt. Somit gilt \[ \boxed{W_a=10[\ln30+2\ln2]\ \mathrm{J}=47.9\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=20\ln60\ \mathrm{J}=81.9\ \mathrm{J}, \qquad \boxed{W_b-W_a=34.0\ \mathrm{J}}. \]
Dies sind die Kompressorarbeiten; sie enthalten nicht die Expansionsarbeit während der chemischen Reaktion bei konstantem Druck.
2.3
Das Wassergas-Shift-Gleichgewicht lautet \[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
Es sollen \(x\ \mathrm{mol}\) in Vorwärtsrichtung reagieren. Aus der Stöchiometrie ergibt sich:
| Gas | Anfängliche Stoffmenge / mol | Änderung / mol | Stoffmenge am Austritt / mol |
|---|---|---|---|
| Kohlenstoffmonoxid, \(\ce{CO}\) | \(40.0\) | \(-x\) | \(40.0-x\) |
| Wasserstoff, \(\ce{H2}\) | \(40.0\) | \(+x\) | \(40.0+x\) |
| Kohlenstoffdioxid, \(\ce{CO2}\) | \(18.0\) | \(+x\) | \(18.0+x\) |
| Stickstoff, \(\ce{N2}\) | \(2.0\) | \(0\) | \(2.0\) |
| Wasserdampf, \(\ce{H2O}\) | \(200.0\) | \(-x\) | \(200.0-x\) |
Die Stickstoffmenge bleibt unverändert. Die gesamte Gasstoffmenge bleibt bei \(300.0\ \mathrm{mol}\), da die Reaktion insgesamt keine Änderung der Stoffmenge gasförmiger Stoffe bewirkt.
Für ideale Gase lautet die Gleichgewichtsbedingung \[ K_p =\frac{p_{\ce{CO2}}p_{\ce{H2}}} {p_{\ce{CO}}p_{\ce{H2O}}} =\frac{(18.0+x)(40.0+x)} {(40.0-x)(200.0-x)}. \] Der Gesamtdruck kürzt sich heraus. Gleichwertig dazu gilt \[ (1-K_p)x^2+(58.0+240.0K_p)x+720.0-8000.0K_p=0. \]
Ein vorgegebener Wert für \(K_p\) würde die physikalisch zulässige Lösung bestimmen, wobei für eine endliche positive Gleichgewichtskonstante \[ -18.0<x<40.0 \] gilt. Ein negatives \(x\) würde einen Nettoumsatz in Rückwärtsrichtung bedeuten.
Die Aufgabe gibt jedoch weder \(K_p\) noch gleichwertige Daten an, aus denen sich diese Konstante berechnen ließe. Der anfängliche Reaktionsquotient \[ Q_{p,0}=\frac{18.0\times40.0}{40.0\times200.0}=0.0900, \] legt die Gleichgewichtskonstante nicht fest. Daher lassen sich die Stoffmengen am Austritt nur in der oben angegebenen parametrisierten Form angeben. Die Annahme eines vollständigen Umsatzes in 2.2 legt dieses gesondert vorgegebene Gleichgewicht nicht fest.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen. Wo diese Lösung von der offiziellen Lösung abweicht, enthält die offizielle Lösung einen Fehler oder Druckfehler.
IChO 1989 · Teori sorusu 2
Sentez gazı: sıkıştırma işi ve CO dönüşüm dengesi
Başlıca karbon monoksit ve hidrojen içeren bir gaz karışımı, alkanların su buharıyla tepkimesi sonucunda üretilir:

2.1 (1) ve (2) denklemlerini kullanarak net entalpi değişimi sıfır olacak şekilde bir toplam tepkime (3) yazınız.
2.2 Karbon monoksit ve hidrojenden metanol sentezi aşağıdaki iki yoldan biriyle gerçekleştirilir:
a) İki basamakta: (3) denklemine karşılık gelen başlangıç karışımı \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) basınçtan \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\) basınca sıkıştırılır ve bundan elde edilen ürün karışımı yeniden, \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\) basınçtan \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\) basınca sıkıştırılır.
veya
b) Tek basamakta: (3) denklemine karşılık gelen ürün karışımı \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) basınçtan \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\) basınca sıkıştırılır.
\(100\ \mathrm{cm^3}\) başlangıç karışımı için iki basamaklı tepkimeye göre sıkıştırma işini, \(W_a\), hesaplayınız ve 1 ve 2 tepkimeleri arasındaki sıkıştırma işi farkını hesaplayınız.
Hesaplamalarda tepkimenin sabit basınçta tam olarak gerçekleştiğini varsayınız. Sıcaklık \(500\ \mathrm{K}\) değerinde sabit kalır; ideal gaz davranışı varsayılır.
Amonyak sentezi için hidrojen üretmek üzere, \(40.0\ \mathrm{mol}\) CO ve \(40.0\ \mathrm{mol}\) hidrojen, \(18.0\ \mathrm{mol}\) karbon dioksit ve \(2.0\ \mathrm{mol}\) azottan oluşan bir karışım, dönüşüm dengesinin kurulduğu bir reaktörde \(200.0\ \mathrm{mol}\) su buharıyla temas hâlindedir.

2.3 Reaktörden çıkan her gazın mol sayısını hesaplayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 2.1 — Entalpiler tam olarak basılı metinde verildiği gibi kullanıldığında: \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}},\qquad \Delta H=0. \] Bu, (2) tepkimesinin tersine çevrilmesini gerektiren \(6(1)-(2)\) birleşimidir. Basılı metindeki pozitif değerlerle, her iki tepkimenin de ileri yönde kullanıldığı sıfırdan farklı hiçbir birleşimin entalpisi sıfır olmaz.
(1) denkleminde \(\Delta H=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) olması amaçlandıysa: \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}},\qquad \Delta H=0. \]
- 2.2 — Gaza verilen işin pozitif kabul edildiği tersinir izotermal sıkıştırma:
| Entalpi yorumu | \(W_a\) | \(W_b\) | Tasarruf, \(W_b-W_a\) |
|---|---|---|---|
| Basılı metindeki değerler | \(\boxed{47.0\ \mathrm{J}}\) | \(76.8\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{29.8\ \mathrm{J}}\) |
| \(\Delta H_1=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) ise | \(\boxed{47.9\ \mathrm{J}}\) | \(81.9\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{34.0\ \mathrm{J}}\) |
- 2.3 — Verilen verilerden sayısal bir bileşim belirlenemez: bir denge sabiti veya eşdeğer bir veri eksiktir. \(x\ \mathrm{mol}\) ileri yönde dönüşüme uğrarsa, \[ \boxed{ \begin{aligned} n_{\ce{CO}}&=(40.0-x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2}}&=(40.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{CO2}}&=(18.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{N2}}&=2.0\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2O}}&=(200.0-x)\ \mathrm{mol}. \end{aligned}} \]
Çözüm
Burada kullanılan molekül adları ve SMILES gösterimleri şunlardır: metan C; moleküler oksijen O=O; karbon monoksit [C-]#[O+]; hidrojen [H][H]; su buharı dâhil su O; metanol CO; karbon dioksit O=C=O; azot N#N; ve amonyak N.
2.1
Verilen tepkimeler şunlardır: \[ \ce{CH4 + 1/2 O2 -> CO + 2H2}, \qquad \Delta H_1=+36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] ve \[ \ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2}, \qquad \Delta H_2=+216\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
\(a(1)+b(2)\) doğrusal birleşiminin entalpisinin sıfır olması için, \[ 36a+216b=0. \] Dolayısıyla \(a=-6b\): iki katsayı zıt işaretli olmalıdır.
\(a=6\) ve \(b=-1\) seçerek (1) tepkimesini altıyla çarpıp (2) tepkimesini tersine çevirelim: \[ \ce{6CH4 + 3O2 -> 6CO + 12H2}, \] \[ \ce{CO + 3H2 -> CH4 + H2O}. \] Toplayıp ortak terimleri sadeleştirince şu elde edilir: \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}}. \tag{3, printed data} \] Bu tepkimenin entalpisi şöyledir: \[ \Delta H=6(36)-216=0. \]
İlk entalpinin negatif olması amaçlandıysa, bunun yerine ileri yöndeki altı kısmi oksidasyon tepkimesi, ileri yöndeki bir buhar reformlama tepkimesi için gereken ısıyı sağlar: \[ 6(-36)+216=0. \] Bu durumda \(6(1)+(2)\) şu sonucu verir: \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}}. \tag{3, conditional correction} \]
2.2
Metanol oluşumu şöyledir: \[ \ce{CO + 2H2 -> CH3OH}. \] Sıkıştırma karşılaştırması açıkça (3) tepkimesinin reaktan ve ürün karışımlarına ilişkindir. Buna göre:
- (a) yolunda reaktanlar \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\) basınca sıkıştırılır, (3) tepkimesi bu basınçta tamamlanır, ardından ürünleri \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\) basınca sıkıştırılır.
- (b) yolunda (3) tepkimesi başlangıç basıncında tamamlanır, ardından ürünleri doğrudan \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\) basınca sıkıştırılır.
Her iki yol, başlangıçta sisteme yüklenen aynı \(100\ \mathrm{cm^3}\) reaktan karışımı için karşılaştırılır.
Bir ideal gazın tersinir izotermal sıkıştırılmasında gaza verilen iş şöyledir: \[ W=-\int_{V_i}^{V_f}p\,dV =nRT\ln\!\left(\frac{V_i}{V_f}\right) =nRT\ln\!\left(\frac{p_f}{p_i}\right). \]
Başlangıç miktarı \(n_0\), (3) tepkimesinin tam olarak gerçekleşmesi için mol sayısı oranı ise \(r=n_{\mathrm{products}}/n_0\) olsun. Başlangıç durumundan, \[ n_0RT=p_0V_0 =(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa})(100\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}) =10\ \mathrm{J}. \] Dolayısıyla belirtilen sıcaklığın ayrıca yerine konulması gerekmez.
(a) yolu için, \[ \begin{aligned} W_a &=n_0RT\ln\!\left(\frac{3\times10^6}{0.1\times10^6}\right) +rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{3\times10^6}\right)\\ &=(10\ \mathrm{J})[\ln30+r\ln2]. \end{aligned} \]
(b) yolu için, \[ W_b=rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{0.1\times10^6}\right) =(10\ \mathrm{J})r\ln60. \]
Bu nedenle, \[ \boxed{W_b-W_a=(10\ \mathrm{J})(r-1)\ln30}. \] (a) yolu, ilk sıkıştırmada daha az sayıda mol sıkıştırıldığı için iş tasarrufu sağlar.
Basılı metindeki entalpilerle, (3) tepkimesi \(5+3=8\) mol reaktanı \(5+9+1=15\) mol ürüne dönüştürür; dolayısıyla \[ r=\frac{15}{8}. \] Bunun sonucunda, \[ W_a=10\left[\ln30+\frac{15}{8}\ln2\right]\ \mathrm{J} =\boxed{47.0\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=10\left(\frac{15}{8}\right)\ln60\ \mathrm{J} =76.8\ \mathrm{J}, \] \[ \boxed{W_b-W_a=29.8\ \mathrm{J}}. \]
\(\Delta H_1\) için koşullu olarak negatif işaret alındığında, (3) tepkimesi \(7+3+1=11\) molü \(7+15=22\) mole dönüştürür ve \(r=2\) olur. Böylece \[ \boxed{W_a=10[\ln30+2\ln2]\ \mathrm{J}=47.9\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=20\ln60\ \mathrm{J}=81.9\ \mathrm{J}, \qquad \boxed{W_b-W_a=34.0\ \mathrm{J}}. \]
Bunlar kompresör işleridir; sabit basınçtaki kimyasal tepkime sırasında yapılan genleşme işini içermezler.
2.3
Su-gaz kaydırma dengesi şöyledir: \[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
İleri yönde \(x\ \mathrm{mol}\) tepkimeye girsin. Stokiyometri şu sonuçları verir:
| Gaz | Başlangıç miktarı / mol | Değişim / mol | Çıkış miktarı / mol |
|---|---|---|---|
| Karbon monoksit, \(\ce{CO}\) | \(40.0\) | \(-x\) | \(40.0-x\) |
| Hidrojen, \(\ce{H2}\) | \(40.0\) | \(+x\) | \(40.0+x\) |
| Karbon dioksit, \(\ce{CO2}\) | \(18.0\) | \(+x\) | \(18.0+x\) |
| Azot, \(\ce{N2}\) | \(2.0\) | \(0\) | \(2.0\) |
| Su buharı, \(\ce{H2O}\) | \(200.0\) | \(-x\) | \(200.0-x\) |
Azot miktarı değişmez. Tepkimede gazların toplam mol sayısında net bir değişim olmadığından, toplam gaz miktarı \(300.0\ \mathrm{mol}\) olarak kalır.
İdeal gazlar için denge koşulu şöyledir: \[ K_p =\frac{p_{\ce{CO2}}p_{\ce{H2}}} {p_{\ce{CO}}p_{\ce{H2O}}} =\frac{(18.0+x)(40.0+x)} {(40.0-x)(200.0-x)}. \] Toplam basınç sadeleşir. Eşdeğer olarak, \[ (1-K_p)x^2+(58.0+240.0K_p)x+720.0-8000.0K_p=0. \]
Bir \(K_p\) değeri verilseydi, fiziksel olarak kabul edilebilir kök belirlenebilirdi; sonlu ve pozitif bir denge sabiti için bu kök \[ -18.0<x<40.0 \] aralığında olurdu. Negatif \(x\), net dönüşümün ters yönde olduğunu gösterirdi.
Ancak soruda ne \(K_p\) ne de onun hesaplanabileceği eşdeğer veriler verilmiştir. Başlangıç tepkime bölümü, \[ Q_{p,0}=\frac{18.0\times40.0}{40.0\times200.0}=0.0900, \] denge sabitini belirlemez. Bu nedenle çıkış miktarları yalnızca yukarıdaki parametreli biçimde ifade edilebilir. 2.2'deki tepkimenin tam olarak gerçekleştiği varsayımı, ayrıca belirtilen bu dengeyi belirlemez.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1989 · Problema teórico 2
Gas de síntesis: trabajo de compresión y equilibrio de conversión del CO
Una mezcla de gases que contiene principalmente monóxido de carbono e hidrógeno se produce mediante la reacción de alcanos con vapor de agua:

2.1 Utilizando las ecuaciones (1) y (2), escriba una reacción global (3) de modo que la variación neta de entalpía sea cero.
2.2 La síntesis de metanol a partir de monóxido de carbono e hidrógeno se lleva a cabo bien
a) en dos etapas, en las que la mezcla inicial correspondiente a la ecuación (3) se comprime de \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) a \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\), y la mezcla de productos resultante se comprime de nuevo de \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\) a \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\)
o bien
b) en una etapa, en la que la mezcla de productos correspondiente a la ecuación (3) se comprime de \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) a \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\).
Calcule el trabajo de compresión, \(W_a\), según la reacción en dos etapas para \(100\ \mathrm{cm^3}\) de mezcla inicial y calcule la diferencia en el trabajo de compresión entre las reacciones 1 y 2.
Para los cálculos, suponga una reacción completa a presión constante. La temperatura permanece constante a \(500\ \mathrm{K}\) y se supone un comportamiento de gas ideal.
Para producir hidrógeno destinado a la síntesis de amoníaco, una mezcla de \(40.0\ \mathrm{mol}\) de CO y \(40.0\ \mathrm{mol}\) de hidrógeno, \(18.0\ \mathrm{mol}\) de dióxido de carbono y \(2.0\ \mathrm{mol}\) de nitrógeno se pone en contacto con \(200.0\ \mathrm{mol}\) de vapor de agua en un reactor donde se establece el equilibrio de conversión.

2.3 Calcule el número de moles de cada gas que sale del reactor.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 2.1 — Utilizando las entalpías exactamente como están impresas: \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}},\qquad \Delta H=0. \] Esto corresponde a \(6(1)-(2)\), lo que requiere invertir la reacción (2). Ninguna combinación no nula de ambas reacciones en el sentido directo tiene entalpía cero con los valores positivos impresos.
Si se pretendía que la ecuación (1) tuviera \(\Delta H=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\): \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}},\qquad \Delta H=0. \]
- 2.2 — Compresión isotérmica reversible, con trabajo positivo cuando se suministra al gas:
| Interpretación de la entalpía | \(W_a\) | \(W_b\) | Ahorro, \(W_b-W_a\) |
|---|---|---|---|
| Valores tal como están impresos | \(\boxed{47.0\ \mathrm{J}}\) | \(76.8\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{29.8\ \mathrm{J}}\) |
| Si \(\Delta H_1=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | \(\boxed{47.9\ \mathrm{J}}\) | \(81.9\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{34.0\ \mathrm{J}}\) |
- 2.3 — No se puede determinar una composición numérica a partir de los datos proporcionados: falta una constante de equilibrio o un dato equivalente. Si \(x\ \mathrm{mol}\) experimentan la conversión en el sentido directo, \[ \boxed{ \begin{aligned} n_{\ce{CO}}&=(40.0-x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2}}&=(40.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{CO2}}&=(18.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{N2}}&=2.0\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2O}}&=(200.0-x)\ \mathrm{mol}. \end{aligned}} \]
Solución
Los nombres de las moléculas y los SMILES utilizados aquí son: metano C; oxígeno molecular O=O; monóxido de carbono [C-]#[O+]; hidrógeno [H][H]; agua, incluido el vapor de agua, O; metanol CO; dióxido de carbono O=C=O; nitrógeno N#N; y amoníaco N.
2.1
Las reacciones proporcionadas son \[ \ce{CH4 + 1/2 O2 -> CO + 2H2}, \qquad \Delta H_1=+36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] y \[ \ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2}, \qquad \Delta H_2=+216\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
Para que una combinación lineal \(a(1)+b(2)\) tenga entalpía cero, \[ 36a+216b=0. \] Por tanto, \(a=-6b\): los dos coeficientes deben tener signos opuestos.
Eligiendo \(a=6\) y \(b=-1\), multiplicamos la reacción (1) por seis e invertimos la reacción (2): \[ \ce{6CH4 + 3O2 -> 6CO + 12H2}, \] \[ \ce{CO + 3H2 -> CH4 + H2O}. \] Al sumar y cancelar los términos comunes se obtiene \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}}. \tag{3, printed data} \] Su entalpía es \[ \Delta H=6(36)-216=0. \]
Si se pretendía que la primera entalpía fuera negativa, seis reacciones de oxidación parcial en el sentido directo suministran, en ese caso, el calor necesario para una reacción de reformado con vapor en el sentido directo: \[ 6(-36)+216=0. \] Entonces, \(6(1)+(2)\) da \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}}. \tag{3, conditional correction} \]
2.2
La formación de metanol es \[ \ce{CO + 2H2 -> CH3OH}. \] La comparación de las compresiones se refiere explícitamente a las mezclas de reactivos y productos de la reacción (3). En consecuencia:
- En la vía (a), se comprimen los reactivos hasta \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\), se completa la reacción (3) a esa presión y, a continuación, se comprimen sus productos hasta \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\).
- En la vía (b), se completa la reacción (3) a la presión inicial y, a continuación, se comprimen sus productos directamente hasta \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\).
Ambas vías se comparan para la misma carga inicial de reactivos de \(100\ \mathrm{cm^3}\).
Para la compresión isotérmica reversible de un gas ideal, el trabajo suministrado es \[ W=-\int_{V_i}^{V_f}p\,dV =nRT\ln\!\left(\frac{V_i}{V_f}\right) =nRT\ln\!\left(\frac{p_f}{p_i}\right). \]
Sea \(n_0\) la cantidad inicial y \(r=n_{\mathrm{products}}/n_0\) la relación entre los números de moles para la reacción (3) completa. A partir del estado inicial, \[ n_0RT=p_0V_0 =(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa})(100\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}) =10\ \mathrm{J}. \] Por tanto, no es necesario sustituir por separado la temperatura especificada.
Para la vía (a), \[ \begin{aligned} W_a &=n_0RT\ln\!\left(\frac{3\times10^6}{0.1\times10^6}\right) +rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{3\times10^6}\right)\\ &=(10\ \mathrm{J})[\ln30+r\ln2]. \end{aligned} \]
Para la vía (b), \[ W_b=rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{0.1\times10^6}\right) =(10\ \mathrm{J})r\ln60. \]
Por lo tanto, \[ \boxed{W_b-W_a=(10\ \mathrm{J})(r-1)\ln30}. \] La vía (a) ahorra trabajo porque se someten menos moles a la compresión inicial.
Con las entalpías impresas, la reacción (3) convierte \(5+3=8\) moles de reactivos en \(5+9+1=15\) moles de productos, de modo que \[ r=\frac{15}{8}. \] En consecuencia, \[ W_a=10\left[\ln30+\frac{15}{8}\ln2\right]\ \mathrm{J} =\boxed{47.0\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=10\left(\frac{15}{8}\right)\ln60\ \mathrm{J} =76.8\ \mathrm{J}, \] \[ \boxed{W_b-W_a=29.8\ \mathrm{J}}. \]
Con el signo negativo condicional para \(\Delta H_1\), la reacción (3) convierte \(7+3+1=11\) moles en \(7+15=22\) moles, lo que da \(r=2\). Por tanto, \[ \boxed{W_a=10[\ln30+2\ln2]\ \mathrm{J}=47.9\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=20\ln60\ \mathrm{J}=81.9\ \mathrm{J}, \qquad \boxed{W_b-W_a=34.0\ \mathrm{J}}. \]
Estos son los trabajos de los compresores; no incluyen el trabajo de expansión durante la reacción química a presión constante.
2.3
El equilibrio de desplazamiento del gas de agua es \[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
Supongamos que reaccionan \(x\ \mathrm{mol}\) en el sentido directo. La estequiometría da:
| Gas | Cantidad inicial / mol | Variación / mol | Cantidad a la salida / mol |
|---|---|---|---|
| Monóxido de carbono, \(\ce{CO}\) | \(40.0\) | \(-x\) | \(40.0-x\) |
| Hidrógeno, \(\ce{H2}\) | \(40.0\) | \(+x\) | \(40.0+x\) |
| Dióxido de carbono, \(\ce{CO2}\) | \(18.0\) | \(+x\) | \(18.0+x\) |
| Nitrógeno, \(\ce{N2}\) | \(2.0\) | \(0\) | \(2.0\) |
| Vapor de agua, \(\ce{H2O}\) | \(200.0\) | \(-x\) | \(200.0-x\) |
La cantidad de nitrógeno no cambia. La cantidad total de gas se mantiene en \(300.0\ \mathrm{mol}\), ya que la reacción no produce una variación neta en el número de moles gaseosos.
Para gases ideales, la condición de equilibrio es \[ K_p =\frac{p_{\ce{CO2}}p_{\ce{H2}}} {p_{\ce{CO}}p_{\ce{H2O}}} =\frac{(18.0+x)(40.0+x)} {(40.0-x)(200.0-x)}. \] La presión total se cancela. De forma equivalente, \[ (1-K_p)x^2+(58.0+240.0K_p)x+720.0-8000.0K_p=0. \]
Un valor proporcionado de \(K_p\) permitiría determinar la raíz físicamente admisible, con \[ -18.0<x<40.0 \] para una constante de equilibrio finita y positiva. Un valor negativo de \(x\) significaría una conversión neta en el sentido inverso.
Sin embargo, el problema no proporciona ni \(K_p\) ni datos equivalentes a partir de los cuales pueda calcularse. El cociente de reacción inicial, \[ Q_{p,0}=\frac{18.0\times40.0}{40.0\times200.0}=0.0900, \] no establece la constante de equilibrio. Por lo tanto, las cantidades a la salida solo pueden expresarse en la forma parametrizada anterior. La suposición de reacción completa en 2.2 no determina este equilibrio especificado por separado.
La solución se comprobó con la solución oficial. Donde esta solución difiere de la solución oficial, la solución oficial contiene un error o una errata.
IChO 1989 · 理论题 2
合成气:压缩功与 CO 变换平衡
烷烃与水蒸气反应,生成主要含有一氧化碳和氢气的混合气体:

2.1 利用方程式 (1) 和 (2),写出净焓变为零的总反应 (3)。
2.2 由一氧化碳和氢气合成甲醇,可采用以下任一方式进行:
a) 分两步进行,将与方程式 (3) 对应的初始混合物从 \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) 压缩至 \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\),再将由此生成的产物混合物从 \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\) 压缩至 \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\)
或
b) 一步进行,将与方程式 (3) 对应的产物混合物从 \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) 压缩至 \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\)。
对于 \(100\ \mathrm{cm^3}\) 的初始混合物,计算按两步反应进行时的压缩功 \(W_a\),并计算反应 1 和 2 之间的压缩功之差。
计算时假设反应在恒压下完全进行。温度保持为 \(500\ \mathrm{K}\),并假设气体具有理想气体行为。
为制取用于合成氨的氢气,将含有 \(40.0\ \mathrm{mol}\) CO、\(40.0\ \mathrm{mol}\) 氢气、\(18.0\ \mathrm{mol}\) 二氧化碳和 \(2.0\ \mathrm{mol}\) 氮气的混合物与 \(200.0\ \mathrm{mol}\) 水蒸气在反应器中接触,并建立变换平衡。

2.3 计算离开反应器的各气体的物质的量。
题目译自官方英文原文。
答案
- 2.1 — 严格采用题面所列的焓变: \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}},\qquad \Delta H=0. \] 这是 \(6(1)-(2)\),需要将反应 (2) 逆向进行。按题面所列的正值,两个反应都沿正方向进行时,不存在焓变为零的非零组合。
如果方程式 (1) 的焓变原本应为 \(\Delta H=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\): \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}},\qquad \Delta H=0. \]
- 2.2 — 可逆等温压缩,以对气体做功为正:
| 焓变的解释 | \(W_a\) | \(W_b\) | 节省的功,\(W_b-W_a\) |
|---|---|---|---|
| 按题面所列数值 | \(\boxed{47.0\ \mathrm{J}}\) | \(76.8\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{29.8\ \mathrm{J}}\) |
| 若 \(\Delta H_1=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | \(\boxed{47.9\ \mathrm{J}}\) | \(81.9\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{34.0\ \mathrm{J}}\) |
- 2.3 — 无法根据所给数据确定组成的数值: 缺少平衡常数或等效数据。若有 \(x\ \mathrm{mol}\) 发生正向变换, \[ \boxed{ \begin{aligned} n_{\ce{CO}}&=(40.0-x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2}}&=(40.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{CO2}}&=(18.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{N2}}&=2.0\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2O}}&=(200.0-x)\ \mathrm{mol}. \end{aligned}} \]
解答
此处使用的分子名称及 SMILES 为:甲烷 C;氧气 O=O;一氧化碳 [C-]#[O+];氢气 [H][H];水(包括水蒸气)O;甲醇 CO;二氧化碳 O=C=O;氮气 N#N;以及氨 N。
2.1
所给反应为 \[ \ce{CH4 + 1/2 O2 -> CO + 2H2}, \qquad \Delta H_1=+36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] 以及 \[ \ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2}, \qquad \Delta H_2=+216\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
要使线性组合 \(a(1)+b(2)\) 的焓变为零,必须满足 \[ 36a+216b=0. \] 因此 \(a=-6b\):两个系数必须异号。
取 \(a=6\)、\(b=-1\),将反应 (1) 乘以六,并将反应 (2) 逆向进行: \[ \ce{6CH4 + 3O2 -> 6CO + 12H2}, \] \[ \ce{CO + 3H2 -> CH4 + H2O}. \] 相加并消去两边相同的项,得到 \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}}. \tag{3, printed data} \] 其焓变为 \[ \Delta H=6(36)-216=0. \]
如果第一个焓变原本应为负值,则六次正向部分氧化反应恰好为一次正向水蒸气重整反应提供所需的热量: \[ 6(-36)+216=0. \] 此时,\(6(1)+(2)\) 得到 \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}}. \tag{3, conditional correction} \]
2.2
甲醇的生成反应为 \[ \ce{CO + 2H2 -> CH3OH}. \] 压缩功的比较明确涉及反应 (3) 的反应物混合物和产物混合物。因此:
- 路径 (a) 先将反应物压缩至 \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\),在该压力下使反应 (3) 完全进行,再将其产物压缩至 \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\)。
- 路径 (b) 先在初始压力下使反应 (3) 完全进行,再将其产物直接压缩至 \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\)。
两条路径均以相同的初始 \(100\ \mathrm{cm^3}\) 反应物投料进行比较。
对于理想气体的可逆等温压缩,对气体所做的功为 \[ W=-\int_{V_i}^{V_f}p\,dV =nRT\ln\!\left(\frac{V_i}{V_f}\right) =nRT\ln\!\left(\frac{p_f}{p_i}\right). \]
设初始物质的量为 \(n_0\),反应 (3) 完全进行时的物质的量之比为 \(r=n_{\mathrm{products}}/n_0\)。由初始状态可得 \[ n_0RT=p_0V_0 =(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa})(100\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}) =10\ \mathrm{J}. \] 因此,无需另行代入给定的温度。
对于路径 (a), \[ \begin{aligned} W_a &=n_0RT\ln\!\left(\frac{3\times10^6}{0.1\times10^6}\right) +rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{3\times10^6}\right)\\ &=(10\ \mathrm{J})[\ln30+r\ln2]. \end{aligned} \]
对于路径 (b), \[ W_b=rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{0.1\times10^6}\right) =(10\ \mathrm{J})r\ln60. \]
因此, \[ \boxed{W_b-W_a=(10\ \mathrm{J})(r-1)\ln30}. \] 路径 (a) 节省功,是因为初次压缩时气体的物质的量较少。
采用题面所列的焓变时,反应 (3) 将 \(5+3=8\) 摩尔反应物转化为 \(5+9+1=15\) 摩尔产物,因此 \[ r=\frac{15}{8}. \] 于是, \[ W_a=10\left[\ln30+\frac{15}{8}\ln2\right]\ \mathrm{J} =\boxed{47.0\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=10\left(\frac{15}{8}\right)\ln60\ \mathrm{J} =76.8\ \mathrm{J}, \] \[ \boxed{W_b-W_a=29.8\ \mathrm{J}}. \]
在假定 \(\Delta H_1\) 应取负号的条件下,反应 (3) 将 \(7+3+1=11\) 摩尔转化为 \(7+15=22\) 摩尔,得到 \(r=2\)。因此 \[ \boxed{W_a=10[\ln30+2\ln2]\ \mathrm{J}=47.9\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=20\ln60\ \mathrm{J}=81.9\ \mathrm{J}, \qquad \boxed{W_b-W_a=34.0\ \mathrm{J}}. \]
这些数值是压缩机所做的功,不包括恒压化学反应过程中的膨胀功。
2.3
水煤气变换平衡为 \[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
设有 \(x\ \mathrm{mol}\) 沿正方向反应。根据化学计量关系可得:
| 气体 | 初始物质的量 / mol | 变化量 / mol | 出口物质的量 / mol |
|---|---|---|---|
| 一氧化碳,\(\ce{CO}\) | \(40.0\) | \(-x\) | \(40.0-x\) |
| 氢气,\(\ce{H2}\) | \(40.0\) | \(+x\) | \(40.0+x\) |
| 二氧化碳,\(\ce{CO2}\) | \(18.0\) | \(+x\) | \(18.0+x\) |
| 氮气,\(\ce{N2}\) | \(2.0\) | \(0\) | \(2.0\) |
| 水蒸气,\(\ce{H2O}\) | \(200.0\) | \(-x\) | \(200.0-x\) |
氮气的物质的量不变。气体总物质的量保持为 \(300.0\ \mathrm{mol}\),因为该反应中气态物质的量没有净变化。
对于理想气体,平衡条件为 \[ K_p =\frac{p_{\ce{CO2}}p_{\ce{H2}}} {p_{\ce{CO}}p_{\ce{H2O}}} =\frac{(18.0+x)(40.0+x)} {(40.0-x)(200.0-x)}. \] 总压相消。等价地, \[ (1-K_p)x^2+(58.0+240.0K_p)x+720.0-8000.0K_p=0. \]
若给出 \(K_p\) 的值,即可确定具有物理意义的根;对于有限的正平衡常数,该根满足 \[ -18.0<x<40.0 \] 负的 \(x\) 表示净变换沿逆方向进行。
然而,题目既未给出 \(K_p\),也未给出可用于计算它的等效数据。初始反应商 \[ Q_{p,0}=\frac{18.0\times40.0}{40.0\times200.0}=0.0900, \] 不能确定平衡常数。因此,出口物质的量只能以上述含参数的形式表示。2.2 中反应完全进行的假设不能确定此处另行指定的平衡。
解答已与官方解答核对。本解答与官方解答不同之处,均为官方解答中的错误或印刷错误。
IChO 1989 · Теоретическая задача 2
Синтез-газ: работа сжатия и равновесие конверсии CO
Газовую смесь, содержащую преимущественно монооксид углерода и водород, получают реакцией алканов с водяным паром:

2.1 Используя уравнения (1) и (2), запишите суммарную реакцию (3) так, чтобы суммарное изменение энтальпии было равно нулю.
2.2 Синтез метанола из монооксида углерода и водорода проводят либо
a) в две стадии, причём исходную смесь, соответствующую уравнению (3), сжимают от \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) до \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\), а полученную смесь продуктов снова сжимают от \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\) до \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\)
либо
b) в одну стадию, причём смесь продуктов, соответствующую уравнению (3), сжимают от \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) до \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\).
Рассчитайте работу сжатия \(W_a\) для двухстадийного процесса при использовании \(100\ \mathrm{cm^3}\) исходной смеси и вычислите разность работ сжатия для реакций 1 и 2.
При расчётах считайте, что реакция протекает полностью при постоянном давлении. Температура остаётся постоянной и равной \(500\ \mathrm{K}\); газы считайте идеальными.
Для получения водорода, используемого в синтезе аммиака, смесь \(40.0\ \mathrm{mol}\) CO и \(40.0\ \mathrm{mol}\) водорода, \(18.0\ \mathrm{mol}\) диоксида углерода и \(2.0\ \mathrm{mol}\) азота приводят в контакт с \(200.0\ \mathrm{mol}\) водяного пара в реакторе, где устанавливается равновесие конверсии.

2.3 Рассчитайте количество вещества каждого газа, выходящего из реактора.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 2.1 — При использовании энтальпий в точности в том виде, в котором они напечатаны: \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}},\qquad \Delta H=0. \] Это комбинация \(6(1)-(2)\), требующая обращения реакции (2). При напечатанных положительных значениях ни одна ненулевая комбинация обеих реакций в прямом направлении не даёт нулевого изменения энтальпии.
Если в уравнении (1) подразумевалось \(\Delta H=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\): \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}},\qquad \Delta H=0. \]
- 2.2 — Обратимое изотермическое сжатие; работа считается положительной, если она совершается над газом:
| Интерпретация энтальпий | \(W_a\) | \(W_b\) | Экономия работы, \(W_b-W_a\) |
|---|---|---|---|
| Напечатанные значения | \(\boxed{47.0\ \mathrm{J}}\) | \(76.8\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{29.8\ \mathrm{J}}\) |
| Если \(\Delta H_1=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | \(\boxed{47.9\ \mathrm{J}}\) | \(81.9\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{34.0\ \mathrm{J}}\) |
- 2.3 — Численный состав невозможно определить по приведённым данным: отсутствует константа равновесия или эквивалентные ей данные. Если конверсии в прямом направлении подвергается \(x\ \mathrm{mol}\), то \[ \boxed{ \begin{aligned} n_{\ce{CO}}&=(40.0-x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2}}&=(40.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{CO2}}&=(18.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{N2}}&=2.0\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2O}}&=(200.0-x)\ \mathrm{mol}. \end{aligned}} \]
Решение
Названия молекул и используемые здесь записи SMILES: метан C; молекулярный кислород O=O; монооксид углерода [C-]#[O+]; водород [H][H]; вода, в том числе водяной пар, O; метанол CO; диоксид углерода O=C=O; азот N#N; аммиак N.
2.1
Даны реакции \[ \ce{CH4 + 1/2 O2 -> CO + 2H2}, \qquad \Delta H_1=+36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] и \[ \ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2}, \qquad \Delta H_2=+216\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
Чтобы линейная комбинация \(a(1)+b(2)\) имела нулевое изменение энтальпии, необходимо \[ 36a+216b=0. \] Следовательно, \(a=-6b\): два коэффициента должны иметь противоположные знаки.
Выбрав \(a=6\) и \(b=-1\), умножим реакцию (1) на шесть и обратим реакцию (2): \[ \ce{6CH4 + 3O2 -> 6CO + 12H2}, \] \[ \ce{CO + 3H2 -> CH4 + H2O}. \] Сложение и сокращение дают \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}}. \tag{3, printed data} \] Изменение энтальпии этой реакции равно \[ \Delta H=6(36)-216=0. \]
Если первая энтальпия подразумевалась отрицательной, то шесть реакций частичного окисления в прямом направлении обеспечивают теплоту для одной реакции паровой конверсии в прямом направлении: \[ 6(-36)+216=0. \] Тогда комбинация \(6(1)+(2)\) даёт \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}}. \tag{3, conditional correction} \]
2.2
Образование метанола описывается реакцией \[ \ce{CO + 2H2 -> CH3OH}. \] Сравнение работ сжатия явно относится к смесям реагентов и продуктов реакции (3). Соответственно:
- В варианте (a) реагенты сжимают до \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\), проводят реакцию (3) до конца при этом давлении, а затем сжимают её продукты до \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\).
- В варианте (b) реакцию (3) проводят до конца при начальном давлении, а затем сжимают её продукты непосредственно до \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\).
Оба варианта сравнивают для одной и той же исходной порции реагентов объёмом \(100\ \mathrm{cm^3}\).
При обратимом изотермическом сжатии идеального газа работа, совершаемая над ним, равна \[ W=-\int_{V_i}^{V_f}p\,dV =nRT\ln\!\left(\frac{V_i}{V_f}\right) =nRT\ln\!\left(\frac{p_f}{p_i}\right). \]
Пусть \(n_0\) — начальное количество вещества, а \(r=n_{\mathrm{products}}/n_0\) — отношение количеств вещества после полного протекания реакции (3) и до неё. Из начального состояния получаем \[ n_0RT=p_0V_0 =(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa})(100\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}) =10\ \mathrm{J}. \] Таким образом, заданную температуру не требуется подставлять отдельно.
Для варианта (a) \[ \begin{aligned} W_a &=n_0RT\ln\!\left(\frac{3\times10^6}{0.1\times10^6}\right) +rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{3\times10^6}\right)\\ &=(10\ \mathrm{J})[\ln30+r\ln2]. \end{aligned} \]
Для варианта (b) \[ W_b=rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{0.1\times10^6}\right) =(10\ \mathrm{J})r\ln60. \]
Следовательно, \[ \boxed{W_b-W_a=(10\ \mathrm{J})(r-1)\ln30}. \] Вариант (a) позволяет сэкономить работу, поскольку начальному сжатию подвергается меньшее количество вещества.
При напечатанных значениях энтальпий реакция (3) превращает \(5+3=8\) молей реагентов в \(5+9+1=15\) молей продуктов, поэтому \[ r=\frac{15}{8}. \] Следовательно, \[ W_a=10\left[\ln30+\frac{15}{8}\ln2\right]\ \mathrm{J} =\boxed{47.0\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=10\left(\frac{15}{8}\right)\ln60\ \mathrm{J} =76.8\ \mathrm{J}, \] \[ \boxed{W_b-W_a=29.8\ \mathrm{J}}. \]
При условном принятии отрицательного знака для \(\Delta H_1\) реакция (3) превращает \(7+3+1=11\) молей в \(7+15=22\) моля, что даёт \(r=2\). Поэтому \[ \boxed{W_a=10[\ln30+2\ln2]\ \mathrm{J}=47.9\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=20\ln60\ \mathrm{J}=81.9\ \mathrm{J}, \qquad \boxed{W_b-W_a=34.0\ \mathrm{J}}. \]
Это работы компрессоров; они не включают работу расширения при химической реакции, протекающей при постоянном давлении.
2.3
Равновесие конверсии монооксида углерода водяным паром описывается уравнением \[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
Пусть в прямом направлении прореагирует \(x\ \mathrm{mol}\). Из стехиометрии получаем:
| Газ | Начальное количество / моль | Изменение / моль | Количество на выходе / моль |
|---|---|---|---|
| Монооксид углерода, \(\ce{CO}\) | \(40.0\) | \(-x\) | \(40.0-x\) |
| Водород, \(\ce{H2}\) | \(40.0\) | \(+x\) | \(40.0+x\) |
| Диоксид углерода, \(\ce{CO2}\) | \(18.0\) | \(+x\) | \(18.0+x\) |
| Азот, \(\ce{N2}\) | \(2.0\) | \(0\) | \(2.0\) |
| Водяной пар, \(\ce{H2O}\) | \(200.0\) | \(-x\) | \(200.0-x\) |
Количество азота не изменяется. Общее количество газа остаётся равным \(300.0\ \mathrm{mol}\), поскольку реакция не приводит к суммарному изменению числа молей газов.
Для идеальных газов условие равновесия имеет вид \[ K_p =\frac{p_{\ce{CO2}}p_{\ce{H2}}} {p_{\ce{CO}}p_{\ce{H2O}}} =\frac{(18.0+x)(40.0+x)} {(40.0-x)(200.0-x)}. \] Общее давление сокращается. Эквивалентная запись: \[ (1-K_p)x^2+(58.0+240.0K_p)x+720.0-8000.0K_p=0. \]
Заданное значение \(K_p\) позволило бы определить физически допустимый корень, для которого \[ -18.0<x<40.0 \] при конечной положительной константе равновесия. Отрицательное значение \(x\) означало бы, что суммарная конверсия протекает в обратном направлении.
Однако в условии не приведены ни \(K_p\), ни эквивалентные данные, по которым её можно рассчитать. Начальное значение реакционного отношения \[ Q_{p,0}=\frac{18.0\times40.0}{40.0\times200.0}=0.0900, \] не определяет константу равновесия. Поэтому количества веществ на выходе можно указать только в приведённой выше параметрической форме. Допущение о полном протекании реакции в 2.2 не определяет это отдельно заданное равновесие.
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1989 · مسألة نظرية 2
غاز التخليق: شغل الانضغاط واتزان تحويل CO
يُنتَج مزيج من الغازات يحتوي أساسًا على أول أكسيد الكربون والهيدروجين بتفاعل الألكانات مع بخار الماء:

2.1 باستخدام المعادلتين (1) و(2)، اكتب تفاعلًا إجماليًا (3) بحيث يكون صافي التغير في الإنثالبي صفرًا.
2.2 يُجرى تخليق الميثانول من أول أكسيد الكربون والهيدروجين إما
a) على خطوتين، حيث يُضغط المزيج الابتدائي الموافق للمعادلة (3) من \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) إلى \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\)، ثم يُضغط مزيج النواتج الناتج منه مرة أخرى من \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\) إلى \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\)
أو
b) على خطوة واحدة، حيث يُضغط مزيج النواتج الموافق للمعادلة (3) من \(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa}\) إلى \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\).
احسب شغل الانضغاط، \(W_a\)، وفقًا للتفاعل ذي الخطوتين لكمية حجمها \(100\ \mathrm{cm^3}\) من المزيج الابتدائي، واحسب الفرق في شغل الانضغاط بين التفاعلين 1 و2.
افترض في الحسابات أن التفاعل تام ويجري عند ضغط ثابت. تبقى درجة الحرارة ثابتة عند \(500\ \mathrm{K}\)، ويُفترض سلوك الغاز المثالي.
لإنتاج الهيدروجين اللازم لتخليق الأمونيا، يُوضَع مزيج من \(40.0\ \mathrm{mol}\) من CO و\(40.0\ \mathrm{mol}\) من الهيدروجين و\(18.0\ \mathrm{mol}\) من ثاني أكسيد الكربون و\(2.0\ \mathrm{mol}\) من النيتروجين في تماس مع \(200.0\ \mathrm{mol}\) من بخار الماء في مفاعل يتحقق فيه اتزان التحويل.

2.3 احسب عدد مولات كل غاز يغادر المفاعل.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 2.1 — باستخدام قيم الإنثالبي كما هي مطبوعة تمامًا: \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}},\qquad \Delta H=0. \] هذا هو \(6(1)-(2)\)، وهو يتطلب عكس التفاعل (2). لا يوجد تركيب خطي غير صفري للتفاعلين كليهما في الاتجاه الأمامي تكون فيه قيمة الإنثالبي صفرًا مع القيم الموجبة المطبوعة.
إذا كان المقصود في المعادلة (1) أن تكون \(\Delta H=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\): \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}},\qquad \Delta H=0. \]
- 2.2 — انضغاط عكوس متساوي الحرارة، مع اعتبار الشغل موجبًا عندما يُبذَل على الغاز:
| تفسير الإنثالبي | \(W_a\) | \(W_b\) | الوفر، \(W_b-W_a\) |
|---|---|---|---|
| القيم كما هي مطبوعة | \(\boxed{47.0\ \mathrm{J}}\) | \(76.8\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{29.8\ \mathrm{J}}\) |
| إذا كانت \(\Delta H_1=-36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | \(\boxed{47.9\ \mathrm{J}}\) | \(81.9\ \mathrm{J}\) | \(\boxed{34.0\ \mathrm{J}}\) |
- 2.3 — لا يمكن تحديد التركيب عدديًا من المعطيات المقدمة: ينقص ثابت الاتزان أو معطى مكافئ له. إذا خضعت كمية مقدارها \(x\ \mathrm{mol}\) للتحويل في الاتجاه الأمامي، \[ \boxed{ \begin{aligned} n_{\ce{CO}}&=(40.0-x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2}}&=(40.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{CO2}}&=(18.0+x)\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{N2}}&=2.0\ \mathrm{mol},\\ n_{\ce{H2O}}&=(200.0-x)\ \mathrm{mol}. \end{aligned}} \]
الحل
أسماء الجزيئات ورموز SMILES المستخدمة هنا هي: الميثان C؛ الأكسجين الجزيئي O=O؛ أول أكسيد الكربون [C-]#[O+]؛ الهيدروجين [H][H]؛ الماء، بما في ذلك بخار الماء، O؛ الميثانول CO؛ ثاني أكسيد الكربون O=C=O؛ النيتروجين N#N؛ والأمونيا N.
2.1
التفاعلان المعطيان هما \[ \ce{CH4 + 1/2 O2 -> CO + 2H2}, \qquad \Delta H_1=+36\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] و \[ \ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2}, \qquad \Delta H_2=+216\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
لكي يكون الإنثالبي للتركيب الخطي \(a(1)+b(2)\) صفرًا، \[ 36a+216b=0. \] إذن \(a=-6b\): يجب أن تكون إشارتا المعاملين متعاكستين.
باختيار \(a=6\) و\(b=-1\)، نضرب التفاعل (1) في ستة ونعكس التفاعل (2): \[ \ce{6CH4 + 3O2 -> 6CO + 12H2}, \] \[ \ce{CO + 3H2 -> CH4 + H2O}. \] بالجمع وحذف الحدود المشتركة نحصل على \[ \boxed{\ce{5CH4 + 3O2 -> 5CO + 9H2 + H2O}}. \tag{3, printed data} \] وتكون قيمة الإنثالبي له \[ \Delta H=6(36)-216=0. \]
إذا كان المقصود أن تكون قيمة الإنثالبي الأولى سالبة، فإن ستة تفاعلات أكسدة جزئية في الاتجاه الأمامي توفر بدلًا من ذلك الحرارة اللازمة لتفاعل واحد من تفاعلات الإصلاح بالبخار في الاتجاه الأمامي: \[ 6(-36)+216=0. \] وعندئذ يعطي \(6(1)+(2)\) \[ \boxed{\ce{7CH4 + 3O2 + H2O -> 7CO + 15H2}}. \tag{3, conditional correction} \]
2.2
تفاعل تكوّن الميثانول هو \[ \ce{CO + 2H2 -> CH3OH}. \] تشير مقارنة الانضغاط صراحةً إلى مزيجي المتفاعلات والنواتج في التفاعل (3). وبناءً على ذلك:
- في المسار (a)، تُضغط المتفاعلات إلى \(3\times10^6\ \mathrm{Pa}\)، ويُستكمل التفاعل (3) عند ذلك الضغط، ثم تُضغط نواتجه إلى \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\).
- في المسار (b)، يُستكمل التفاعل (3) عند الضغط الابتدائي، ثم تُضغط نواتجه مباشرةً إلى \(6\times10^6\ \mathrm{Pa}\).
يُقارَن المساران باستخدام الشحنة الابتدائية نفسها من المتفاعلات، وحجمها \(100\ \mathrm{cm^3}\).
في الانضغاط العكوس المتساوي الحرارة لغاز مثالي، يكون الشغل المبذول على الغاز \[ W=-\int_{V_i}^{V_f}p\,dV =nRT\ln\!\left(\frac{V_i}{V_f}\right) =nRT\ln\!\left(\frac{p_f}{p_i}\right). \]
لتكن \(n_0\) كمية المادة الابتدائية، ولتكن \(r=n_{\mathrm{products}}/n_0\) نسبة عدد المولات عند تمام التفاعل (3). من الحالة الابتدائية، \[ n_0RT=p_0V_0 =(0.1\times10^6\ \mathrm{Pa})(100\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}) =10\ \mathrm{J}. \] ومن ثم لا يلزم التعويض عن درجة الحرارة المحددة على نحو منفصل.
للمسار (a)، \[ \begin{aligned} W_a &=n_0RT\ln\!\left(\frac{3\times10^6}{0.1\times10^6}\right) +rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{3\times10^6}\right)\\ &=(10\ \mathrm{J})[\ln30+r\ln2]. \end{aligned} \]
للمسار (b)، \[ W_b=rn_0RT\ln\!\left(\frac{6\times10^6}{0.1\times10^6}\right) =(10\ \mathrm{J})r\ln60. \]
لذلك، \[ \boxed{W_b-W_a=(10\ \mathrm{J})(r-1)\ln30}. \] يوفر المسار (a) شغلًا لأن عددًا أقل من المولات يخضع للانضغاط الابتدائي.
باستخدام قيم الإنثالبي المطبوعة، يحوّل التفاعل (3) \(5+3=8\) مولات من المتفاعلات إلى \(5+9+1=15\) مولًا من النواتج، لذا \[ r=\frac{15}{8}. \] وبالتالي، \[ W_a=10\left[\ln30+\frac{15}{8}\ln2\right]\ \mathrm{J} =\boxed{47.0\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=10\left(\frac{15}{8}\right)\ln60\ \mathrm{J} =76.8\ \mathrm{J}, \] \[ \boxed{W_b-W_a=29.8\ \mathrm{J}}. \]
مع افتراض الإشارة السالبة لـ \(\Delta H_1\) على نحو مشروط، يحوّل التفاعل (3) \(7+3+1=11\) مولًا إلى \(7+15=22\) مولًا، مما يعطي \(r=2\). ومن ثم \[ \boxed{W_a=10[\ln30+2\ln2]\ \mathrm{J}=47.9\ \mathrm{J}}, \] \[ W_b=20\ln60\ \mathrm{J}=81.9\ \mathrm{J}, \qquad \boxed{W_b-W_a=34.0\ \mathrm{J}}. \]
هذه هي قيم شغل الضواغط؛ وهي لا تشمل شغل التمدد أثناء التفاعل الكيميائي الجاري عند ضغط ثابت.
2.3
اتزان تفاعل إزاحة غاز الماء هو \[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
لتتفاعل كمية مقدارها \(x\ \mathrm{mol}\) في الاتجاه الأمامي. تعطي العلاقات الستوكيومترية:
| الغاز | الكمية الابتدائية / mol | التغير / mol | الكمية الخارجة / mol |
|---|---|---|---|
| أول أكسيد الكربون، \(\ce{CO}\) | \(40.0\) | \(-x\) | \(40.0-x\) |
| الهيدروجين، \(\ce{H2}\) | \(40.0\) | \(+x\) | \(40.0+x\) |
| ثاني أكسيد الكربون، \(\ce{CO2}\) | \(18.0\) | \(+x\) | \(18.0+x\) |
| النيتروجين، \(\ce{N2}\) | \(2.0\) | \(0\) | \(2.0\) |
| بخار الماء، \(\ce{H2O}\) | \(200.0\) | \(-x\) | \(200.0-x\) |
تبقى كمية النيتروجين دون تغير. وتبقى كمية الغاز الكلية \(300.0\ \mathrm{mol}\)، إذ لا يترتب على التفاعل تغير صافٍ في عدد مولات الغازات.
بالنسبة إلى الغازات المثالية، يكون شرط الاتزان \[ K_p =\frac{p_{\ce{CO2}}p_{\ce{H2}}} {p_{\ce{CO}}p_{\ce{H2O}}} =\frac{(18.0+x)(40.0+x)} {(40.0-x)(200.0-x)}. \] يُختزل الضغط الكلي. وبصورة مكافئة، \[ (1-K_p)x^2+(58.0+240.0K_p)x+720.0-8000.0K_p=0. \]
لو أُعطيت قيمة \(K_p\)، لأمكن تحديد الجذر المقبول فيزيائيًا، بحيث \[ -18.0<x<40.0 \] لثابت اتزان موجب ومحدود. وتشير قيمة \(x\) السالبة إلى تحويل صافٍ في الاتجاه العكسي.
لكن المسألة لا تعطي \(K_p\) ولا معطيات مكافئة يمكن حسابه منها. إن حاصل التفاعل الابتدائي، \[ Q_{p,0}=\frac{18.0\times40.0}{40.0\times200.0}=0.0900, \] لا يحدد ثابت الاتزان. لذلك، لا يمكن التعبير عن الكميات الخارجة إلا بالصيغة المعتمدة على المتغير المبينة أعلاه. وافتراض تمام التفاعل في 2.2 لا يحدد هذا الاتزان المذكور على نحو مستقل.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.