IChO 1991 · Theory problem 6
Production of sulphuric acid and oleum
Sulphuric acid is produced by catalytic oxidation of \(\ce{SO2}\) to \(\ce{SO3}\), absorption of \(\ce{SO3}\) in concentrated sulphuric acid forming oleum (containing 20 % \(\ce{SO3}\) by mass) and appropriate dilution hereafter. The gas leaving the catalyst chamber contains nitrogen, oxygen, a trace of \(\ce{SO2}\) and 10 % (by volume) of \(\ce{SO3}\). Sulphur trioxide, \(\ce{SO3}\), is converted into sulphuric acid (98 % by mass) and/or oleum.
6.1 Assuming that oleum is the only product formed, calculate the mass of water which is required for \(1000\ \mathrm{m^3}\) of gas leaving the catalyst chamber (273 K, 101.3 kPa).
6.2 Assuming that only 98 % sulphuric acid is produced, calculate the necessary mass of water and the mass of product produced thereby.
6.3 In the industry both oleum and 98 % sulphuric acid are produced in a mass ratio of \(x=m_1/m_2\), where \(m_1\) denotes the mass of oleum, \(m_2\) the mass of 98 % sulphuric acid. Find an expression \(y=f(x)\) to describe the relation between the mass of water consumed for \(1000\ \mathrm{m^3}\) gas (denoted \(y\)) and the value of \(x\). Show that the results of 6.1) and 6.2) are in good agreement with your mathematical expression.
Official English text of the problem.
Answers
- 6.1: Water required: \(\boxed{61.5\ \mathrm{kg}}\).
- 6.2: Water required: \(\boxed{89.3\ \mathrm{kg}}\); mass of 98 % sulphuric acid produced: \(\boxed{446\ \mathrm{kg}}\).
- 6.3: For \(x=m_1/m_2\geq0\), \[ \boxed{y\approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196}}. \] Only 98 % acid corresponds to \(x=0\), giving \(y=89.3\ \mathrm{kg}\). Only oleum corresponds to \(x\to\infty\), giving \(y\to61.5\ \mathrm{kg}\).
Solution
The reaction species are sulphur dioxide (O=S=O), oxygen (O=O), sulphur trioxide (O=S(=O)=O), sulphuric acid (OS(=O)(=O)O), and water (O).
Catalytic oxidation produces sulphur trioxide: \[ \ce{2SO2 + O2 -> 2SO3}. \] The net reaction consuming water during acid production is \[ \ce{SO3 + H2O -> H2SO4}. \]
Use the molar masses \[ M(\ce{SO3})=80.0,\qquad M(\ce{H2O})=18.0,\qquad M(\ce{H2SO4})=98.0 \quad\mathrm{kg\,kmol^{-1}}. \]
We balance the overall process, so circulating sulphuric acid cancels from the input and output streams. The stated oleum composition means 20 % excess \(\ce{SO3}\) and 80 % \(\ce{H2SO4}\) on an analytical mass basis. Oleum and aqueous sulphuric acid are mixtures and therefore have no single molecular SMILES.
6.1
Treating the gas as ideal, the volume fraction of \(\ce{SO3}\) equals its mole fraction. Using \[ R=8.314\ \mathrm{kPa\,m^3\,kmol^{-1}\,K^{-1}}, \] the amount of sulphur trioxide available is \[ n(\ce{SO3}) =\frac{0.10\,pV}{RT} =\frac{0.10(101.3)(1000)}{8.314(273)} =4.4631\ \mathrm{kmol}. \] Thus, its mass, denoted \(S\), is \[ S=4.4631(80.0)=357.048\ \mathrm{kg}. \]
Let \(y_1\) be the water required and \(m_1\) the oleum produced. All added water reacts, producing \((98/18)y_1\) kilograms of sulphuric acid. Since the oleum contains 80 % sulphuric acid, \[ \frac{98}{18}y_1=0.80m_1. \] The total mass balance is \[ m_1=S+y_1. \] Combining these equations, \[ 98y_1=14.4(S+y_1), \] so \[ y_1=\frac{14.4}{83.6}S =\frac{36}{209}(357.048) =61.501\ \mathrm{kg}. \] Therefore, \[ \boxed{m_{\text{water}}=61.5\ \mathrm{kg}}. \]
6.2
All sulphur trioxide now reacts to form sulphuric acid. The mass of pure acid formed is \[ m(\ce{H2SO4})=4.4631(98.0)=437.384\ \mathrm{kg}. \] Since this constitutes 98 % of the product, \[ m_2=\frac{437.384}{0.98} =446.310\ \mathrm{kg}. \]
The required water has two contributions: water incorporated into sulphuric acid and water remaining in the 98 % solution: \[ \begin{aligned} y_2 &=n(\ce{SO3})M(\ce{H2O})+0.02m_2\\ &=4.4631(18.0)+0.02(446.310)\\ &=80.336+8.926\\ &=89.262\ \mathrm{kg}. \end{aligned} \]
Hence, \[ \boxed{m_{\text{water}}=89.3\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{m_{\text{98 \% acid}}=446\ \mathrm{kg}}. \]
6.3
For an oleum mass \(m_1\), the incoming sulphur trioxide supplies both the excess \(\ce{SO3}\), of mass \(0.20m_1\), and the \(\ce{SO3}\) incorporated into \(0.80m_1\) of sulphuric acid. Thus its total contribution is \[ \left(0.20+0.80\frac{80}{98}\right)m_1 =\frac{209}{245}m_1. \]
For a mass \(m_2\) of 98 % sulphuric acid, the required sulphur trioxide mass is \[ 0.98\frac{80}{98}m_2=\frac45m_2. \]
The sulphur trioxide balance is therefore \[ S=\frac{209}{245}m_1+\frac45m_2. \] The overall mass balance gives the water input: \[ y=m_1+m_2-S =\frac{36}{245}m_1+\frac15m_2. \]
Substituting \(m_1=xm_2\), \[ S=\left(\frac{209}{245}x+\frac45\right)m_2, \qquad y=\left(\frac{36}{245}x+\frac15\right)m_2. \] Eliminating \(m_2\) yields \[ \boxed{ y=S\frac{36x+49}{209x+196} \approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196} }. \]
The limiting cases reproduce the earlier answers:
-
Only 98 % sulphuric acid: \(m_1=0\), so \(x=0\): \[ y(0)=S\frac{49}{196}=\frac{S}{4} =89.3\ \mathrm{kg}. \] The product mass is \(m_2=S+y=446\ \mathrm{kg}\), agreeing with 6.2.
-
Only oleum: \(m_2\to0\), so \(x\to\infty\): \[ \lim_{x\to\infty}y =S\frac{36}{209} =61.5\ \mathrm{kg}, \] agreeing with 6.1.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1991 · Theorieaufgabe 6
Herstellung von Schwefelsäure und Oleum
Schwefelsäure wird durch katalytische Oxidation von \(\ce{SO2}\) zu \(\ce{SO3}\), Absorption von \(\ce{SO3}\) in konzentrierter Schwefelsäure unter Bildung von Oleum (mit einem Massenanteil von 20 % \(\ce{SO3}\)) und anschließende geeignete Verdünnung hergestellt. Das Gas, das die Katalysatorkammer verlässt, enthält Stickstoff, Sauerstoff, Spuren von \(\ce{SO2}\) und 10 Volumenprozent \(\ce{SO3}\). Schwefeltrioxid, \(\ce{SO3}\), wird in Schwefelsäure (mit einem Massenanteil von 98 %) und/oder Oleum überführt.
6.1 Berechnen Sie unter der Annahme, dass Oleum das einzige entstehende Produkt ist, die Masse an Wasser, die für \(1000\ \mathrm{m^3}\) Gas benötigt wird, das die Katalysatorkammer verlässt (273 K, 101.3 kPa).
6.2 Berechnen Sie unter der Annahme, dass ausschließlich 98%ige Schwefelsäure hergestellt wird, die erforderliche Masse an Wasser und die Masse des dabei hergestellten Produkts.
6.3 In der Industrie werden sowohl Oleum als auch 98%ige Schwefelsäure in einem Massenverhältnis von \(x=m_1/m_2\) hergestellt, wobei \(m_1\) die Masse des Oleums und \(m_2\) die Masse der 98%igen Schwefelsäure bezeichnet. Finden Sie einen Ausdruck \(y=f(x)\), der den Zusammenhang zwischen der für \(1000\ \mathrm{m^3}\) Gas verbrauchten Wassermasse (mit \(y\) bezeichnet) und dem Wert von \(x\) beschreibt. Zeigen Sie, dass die Ergebnisse von 6.1) und 6.2) gut mit Ihrem mathematischen Ausdruck übereinstimmen.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 6.1: Benötigte Wassermasse: \(\boxed{61.5\ \mathrm{kg}}\).
- 6.2: Benötigte Wassermasse: \(\boxed{89.3\ \mathrm{kg}}\); Masse der hergestellten 98%igen Schwefelsäure: \(\boxed{446\ \mathrm{kg}}\).
- 6.3: Für \(x=m_1/m_2\geq0\) gilt \[ \boxed{y\approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196}}. \] Die ausschließliche Herstellung von 98%iger Säure entspricht \(x=0\) und ergibt \(y=89.3\ \mathrm{kg}\). Die ausschließliche Herstellung von Oleum entspricht \(x\to\infty\) und ergibt \(y\to61.5\ \mathrm{kg}\).
Lösung
Die an den Reaktionen beteiligten Stoffe sind Schwefeldioxid (O=S=O), Sauerstoff (O=O), Schwefeltrioxid (O=S(=O)=O), Schwefelsäure (OS(=O)(=O)O) und Wasser (O).
Durch katalytische Oxidation entsteht Schwefeltrioxid: \[ \ce{2SO2 + O2 -> 2SO3}. \] Die Nettoreaktion, bei der während der Säureherstellung Wasser verbraucht wird, lautet \[ \ce{SO3 + H2O -> H2SO4}. \]
Wir verwenden die molaren Massen \[ M(\ce{SO3})=80.0,\qquad M(\ce{H2O})=18.0,\qquad M(\ce{H2SO4})=98.0 \quad\mathrm{kg\,kmol^{-1}}. \]
Wir bilanzieren den Gesamtprozess, sodass sich die im Kreislauf geführte Schwefelsäure in den ein- und austretenden Stoffströmen herauskürzt. Die angegebene Zusammensetzung des Oleums bedeutet auf analytischer Massenbasis 20 % überschüssiges \(\ce{SO3}\) und 80 % \(\ce{H2SO4}\). Oleum und wässrige Schwefelsäure sind Gemische und besitzen daher keine einzelne molekulare SMILES-Darstellung.
6.1
Bei Behandlung des Gases als ideales Gas ist der Volumenanteil von \(\ce{SO3}\) gleich seinem Stoffmengenanteil. Mit \[ R=8.314\ \mathrm{kPa\,m^3\,kmol^{-1}\,K^{-1}}, \] beträgt die verfügbare Stoffmenge an Schwefeltrioxid \[ n(\ce{SO3}) =\frac{0.10\,pV}{RT} =\frac{0.10(101.3)(1000)}{8.314(273)} =4.4631\ \mathrm{kmol}. \] Somit beträgt seine mit \(S\) bezeichnete Masse \[ S=4.4631(80.0)=357.048\ \mathrm{kg}. \]
Es sei \(y_1\) die benötigte Wassermasse und \(m_1\) die Masse des hergestellten Oleums. Das gesamte zugegebene Wasser reagiert, wobei \((98/18)y_1\) Kilogramm Schwefelsäure entstehen. Da das Oleum 80 % Schwefelsäure enthält, gilt \[ \frac{98}{18}y_1=0.80m_1. \] Die Gesamtmassenbilanz lautet \[ m_1=S+y_1. \] Durch Kombination dieser Gleichungen erhält man \[ 98y_1=14.4(S+y_1), \] also \[ y_1=\frac{14.4}{83.6}S =\frac{36}{209}(357.048) =61.501\ \mathrm{kg}. \] Daher gilt \[ \boxed{m_{\text{Wasser}}=61.5\ \mathrm{kg}}. \]
6.2
Nun reagiert das gesamte Schwefeltrioxid zu Schwefelsäure. Die Masse der gebildeten reinen Säure beträgt \[ m(\ce{H2SO4})=4.4631(98.0)=437.384\ \mathrm{kg}. \] Da diese 98 % des Produkts ausmacht, gilt \[ m_2=\frac{437.384}{0.98} =446.310\ \mathrm{kg}. \]
Die benötigte Wassermasse setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: dem in die Schwefelsäure eingebauten Wasser und dem in der 98%igen Lösung verbleibenden Wasser: \[ \begin{aligned} y_2 &=n(\ce{SO3})M(\ce{H2O})+0.02m_2\\ &=4.4631(18.0)+0.02(446.310)\\ &=80.336+8.926\\ &=89.262\ \mathrm{kg}. \end{aligned} \]
Damit ergibt sich \[ \boxed{m_{\text{Wasser}}=89.3\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{m_{\text{98 \% Säure}}=446\ \mathrm{kg}}. \]
6.3
Für eine Oleummasse \(m_1\) liefert das zugeführte Schwefeltrioxid sowohl das überschüssige \(\ce{SO3}\) mit der Masse \(0.20m_1\) als auch das in \(0.80m_1\) Schwefelsäure eingebaute \(\ce{SO3}\). Sein gesamter Massenbeitrag beträgt somit \[ \left(0.20+0.80\frac{80}{98}\right)m_1 =\frac{209}{245}m_1. \]
Für eine Masse \(m_2\) an 98%iger Schwefelsäure beträgt die benötigte Schwefeltrioxidmasse \[ 0.98\frac{80}{98}m_2=\frac45m_2. \]
Die Schwefeltrioxidbilanz lautet daher \[ S=\frac{209}{245}m_1+\frac45m_2. \] Die Gesamtmassenbilanz liefert die zugeführte Wassermasse: \[ y=m_1+m_2-S =\frac{36}{245}m_1+\frac15m_2. \]
Einsetzen von \(m_1=xm_2\) ergibt \[ S=\left(\frac{209}{245}x+\frac45\right)m_2, \qquad y=\left(\frac{36}{245}x+\frac15\right)m_2. \] Durch Eliminieren von \(m_2\) erhält man \[ \boxed{ y=S\frac{36x+49}{209x+196} \approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196} }. \]
Die Grenzfälle ergeben die zuvor erhaltenen Antworten:
-
Nur 98%ige Schwefelsäure: \(m_1=0\), also \(x=0\): \[ y(0)=S\frac{49}{196}=\frac{S}{4} =89.3\ \mathrm{kg}. \] Die Produktmasse beträgt \(m_2=S+y=446\ \mathrm{kg}\), in Übereinstimmung mit 6.2.
-
Nur Oleum: \(m_2\to0\), also \(x\to\infty\): \[ \lim_{x\to\infty}y =S\frac{36}{209} =61.5\ \mathrm{kg}, \] in Übereinstimmung mit 6.1.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1991 · Teori sorusu 6
Sülfürik asit ve oleum üretimi
Sülfürik asit, \(\ce{SO2}\)'nin katalitik olarak \(\ce{SO3}\)'e yükseltgenmesi, \(\ce{SO3}\)'ün derişik sülfürik asit içinde soğurularak oleum (kütlece % 20 \(\ce{SO3}\) içeren) oluşturması ve ardından uygun şekilde seyreltilmesiyle üretilir. Katalizör odasından çıkan gaz azot, oksijen, eser miktarda \(\ce{SO2}\) ve hacimce % 10 \(\ce{SO3}\) içerir. Kükürt trioksit, \(\ce{SO3}\), sülfürik aside (kütlece % 98) ve/veya oleuma dönüştürülür.
6.1 Oluşan tek ürünün oleum olduğunu varsayarak, katalizör odasından çıkan \(1000\ \mathrm{m^3}\) gaz (273 K, 101.3 kPa) için gereken suyun kütlesini hesaplayınız.
6.2 Yalnızca % 98'lik sülfürik asit üretildiğini varsayarak, gereken suyun kütlesini ve bunun sonucunda elde edilen ürünün kütlesini hesaplayınız.
6.3 Sanayide oleum ve % 98'lik sülfürik asit, \(x=m_1/m_2\) kütle oranında birlikte üretilir; burada \(m_1\) oleumun kütlesini, \(m_2\) ise % 98'lik sülfürik asidin kütlesini gösterir. \(1000\ \mathrm{m^3}\) gaz için tüketilen suyun kütlesi (\(y\) ile gösterilen) ile \(x\) değeri arasındaki ilişkiyi tanımlayan bir \(y=f(x)\) ifadesi bulunuz. 6.1) ve 6.2) sonuçlarının matematiksel ifadenizle iyi bir uyum içinde olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 6.1: Gereken su: \(\boxed{61.5\ \mathrm{kg}}\).
- 6.2: Gereken su: \(\boxed{89.3\ \mathrm{kg}}\); üretilen % 98'lik sülfürik asidin kütlesi: \(\boxed{446\ \mathrm{kg}}\).
- 6.3: \(x=m_1/m_2\geq0\) için, \[ \boxed{y\approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196}}. \] Yalnızca % 98'lik asit üretilmesi \(x=0\) durumuna karşılık gelir ve \(y=89.3\ \mathrm{kg}\) verir. Yalnızca oleum üretilmesi \(x\to\infty\) durumuna karşılık gelir ve \(y\to61.5\ \mathrm{kg}\) verir.
Çözüm
Tepkimede yer alan türler kükürt dioksit (O=S=O), oksijen (O=O), kükürt trioksit (O=S(=O)=O), sülfürik asit (OS(=O)(=O)O) ve sudur (O).
Katalitik yükseltgenme sonucunda kükürt trioksit oluşur: \[ \ce{2SO2 + O2 -> 2SO3}. \] Asit üretimi sırasında su tüketen net tepkime şöyledir: \[ \ce{SO3 + H2O -> H2SO4}. \]
Şu molar kütleleri kullanalım: \[ M(\ce{SO3})=80.0,\qquad M(\ce{H2O})=18.0,\qquad M(\ce{H2SO4})=98.0 \quad\mathrm{kg\,kmol^{-1}}. \]
Sürecin tamamı için madde denkliği kurduğumuzdan, devridaim eden sülfürik asit giriş ve çıkış akımlarında birbirini götürür. Verilen oleum bileşimi, analitik kütle temelinde % 20 fazla \(\ce{SO3}\) ve % 80 \(\ce{H2SO4}\) anlamına gelir. Oleum ve sulu sülfürik asit karışımdır; dolayısıyla tek bir moleküler SMILES gösterimleri yoktur.
6.1
Gazı ideal kabul ettiğimizde, \(\ce{SO3}\)'ün hacim kesri mol kesrine eşittir. \[ R=8.314\ \mathrm{kPa\,m^3\,kmol^{-1}\,K^{-1}}, \] değeri kullanıldığında, mevcut kükürt trioksidin madde miktarı şöyledir: \[ n(\ce{SO3}) =\frac{0.10\,pV}{RT} =\frac{0.10(101.3)(1000)}{8.314(273)} =4.4631\ \mathrm{kmol}. \] Buna göre, \(S\) ile gösterilen kütlesi şöyledir: \[ S=4.4631(80.0)=357.048\ \mathrm{kg}. \]
Gereken suyun kütlesi \(y_1\), üretilen oleumun kütlesi ise \(m_1\) olsun. Eklenen suyun tamamı tepkimeye girerek \((98/18)y_1\) kilogram sülfürik asit oluşturur. Oleum % 80 sülfürik asit içerdiğinden, \[ \frac{98}{18}y_1=0.80m_1. \] Toplam kütle denkliği şöyledir: \[ m_1=S+y_1. \] Bu denklemler birleştirildiğinde, \[ 98y_1=14.4(S+y_1), \] dolayısıyla \[ y_1=\frac{14.4}{83.6}S =\frac{36}{209}(357.048) =61.501\ \mathrm{kg}. \] Böylece, \[ \boxed{m_{\text{su}}=61.5\ \mathrm{kg}}. \]
6.2
Bu durumda kükürt trioksidin tamamı sülfürik asit oluşturmak üzere tepkimeye girer. Oluşan saf asidin kütlesi şöyledir: \[ m(\ce{H2SO4})=4.4631(98.0)=437.384\ \mathrm{kg}. \] Bu miktar ürünün % 98'ini oluşturduğundan, \[ m_2=\frac{437.384}{0.98} =446.310\ \mathrm{kg}. \]
Gereken su iki katkıdan oluşur: sülfürik asidin yapısına katılan su ve % 98'lik çözeltide kalan su: \[ \begin{aligned} y_2 &=n(\ce{SO3})M(\ce{H2O})+0.02m_2\\ &=4.4631(18.0)+0.02(446.310)\\ &=80.336+8.926\\ &=89.262\ \mathrm{kg}. \end{aligned} \]
Böylece, \[ \boxed{m_{\text{su}}=89.3\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{m_{\text{98 \% asit}}=446\ \mathrm{kg}}. \]
6.3
\(m_1\) kütleli oleum için, sisteme giren kükürt trioksit hem \(0.20m_1\) kütleli fazla \(\ce{SO3}\)'ü hem de \(0.80m_1\) kütleli sülfürik asidin yapısına katılan \(\ce{SO3}\)'ü sağlar. Dolayısıyla toplam katkısı şöyledir: \[ \left(0.20+0.80\frac{80}{98}\right)m_1 =\frac{209}{245}m_1. \]
\(m_2\) kütleli % 98'lik sülfürik asit için gereken kükürt trioksit kütlesi şöyledir: \[ 0.98\frac{80}{98}m_2=\frac45m_2. \]
Dolayısıyla kükürt trioksit denkliği şöyledir: \[ S=\frac{209}{245}m_1+\frac45m_2. \] Genel kütle denkliği su girişini verir: \[ y=m_1+m_2-S =\frac{36}{245}m_1+\frac15m_2. \]
\(m_1=xm_2\) yerine yazıldığında, \[ S=\left(\frac{209}{245}x+\frac45\right)m_2, \qquad y=\left(\frac{36}{245}x+\frac15\right)m_2. \] \(m_2\) elendiğinde şu ifade elde edilir: \[ \boxed{ y=S\frac{36x+49}{209x+196} \approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196} }. \]
Sınır durumları önceki cevapları yeniden verir:
-
Yalnızca % 98'lik sülfürik asit: \(m_1=0\), dolayısıyla \(x=0\): \[ y(0)=S\frac{49}{196}=\frac{S}{4} =89.3\ \mathrm{kg}. \] Ürünün kütlesi \(m_2=S+y=446\ \mathrm{kg}\) olup 6.2 ile uyumludur.
-
Yalnızca oleum: \(m_2\to0\), dolayısıyla \(x\to\infty\): \[ \lim_{x\to\infty}y =S\frac{36}{209} =61.5\ \mathrm{kg}, \] bu sonuç 6.1 ile uyumludur.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1991 · Problema teórico 6
Producción de ácido sulfúrico y óleum
El ácido sulfúrico se produce mediante la oxidación catalítica de \(\ce{SO2}\) a \(\ce{SO3}\), la absorción de \(\ce{SO3}\) en ácido sulfúrico concentrado para formar óleum (que contiene un 20 % de \(\ce{SO3}\) en masa) y la posterior dilución adecuada. El gas que sale de la cámara de catálisis contiene nitrógeno, oxígeno, trazas de \(\ce{SO2}\) y un 10 % (en volumen) de \(\ce{SO3}\). El trióxido de azufre, \(\ce{SO3}\), se convierte en ácido sulfúrico (al 98 % en masa) y/o en óleum.
6.1 Suponiendo que el óleum es el único producto formado, calcule la masa de agua necesaria para \(1000\ \mathrm{m^3}\) de gas que sale de la cámara de catálisis (273 K, 101.3 kPa).
6.2 Suponiendo que solo se produce ácido sulfúrico al 98 %, calcule la masa de agua necesaria y la masa del producto obtenido de este modo.
6.3 En la industria se producen tanto óleum como ácido sulfúrico al 98 % en una relación de masas de \(x=m_1/m_2\), donde \(m_1\) representa la masa de óleum y \(m_2\), la masa de ácido sulfúrico al 98 %. Determine una expresión \(y=f(x)\) que describa la relación entre la masa de agua consumida por cada \(1000\ \mathrm{m^3}\) de gas (denotada por \(y\)) y el valor de \(x\). Demuestre que los resultados de 6.1) y 6.2) concuerdan bien con su expresión matemática.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 6.1: Agua necesaria: \(\boxed{61.5\ \mathrm{kg}}\).
- 6.2: Agua necesaria: \(\boxed{89.3\ \mathrm{kg}}\); masa de ácido sulfúrico al 98 % producido: \(\boxed{446\ \mathrm{kg}}\).
- 6.3: Para \(x=m_1/m_2\geq0\), \[ \boxed{y\approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196}}. \] La producción exclusiva de ácido al 98 % corresponde a \(x=0\), lo que da \(y=89.3\ \mathrm{kg}\). La producción exclusiva de óleum corresponde a \(x\to\infty\), lo que da \(y\to61.5\ \mathrm{kg}\).
Solución
Las especies que intervienen en las reacciones son dióxido de azufre (O=S=O), oxígeno (O=O), trióxido de azufre (O=S(=O)=O), ácido sulfúrico (OS(=O)(=O)O) y agua (O).
La oxidación catalítica produce trióxido de azufre: \[ \ce{2SO2 + O2 -> 2SO3}. \] La reacción neta que consume agua durante la producción de ácido es \[ \ce{SO3 + H2O -> H2SO4}. \]
Se utilizan las masas molares \[ M(\ce{SO3})=80.0,\qquad M(\ce{H2O})=18.0,\qquad M(\ce{H2SO4})=98.0 \quad\mathrm{kg\,kmol^{-1}}. \]
Se realiza el balance del proceso global, por lo que el ácido sulfúrico en circulación se cancela entre las corrientes de entrada y salida. La composición indicada del óleum significa que contiene un 20 % de \(\ce{SO3}\) en exceso y un 80 % de \(\ce{H2SO4}\), expresados en masa sobre una base analítica. El óleum y el ácido sulfúrico acuoso son mezclas y, por tanto, no tienen una única representación molecular SMILES.
6.1
Si se considera que el gas es ideal, la fracción en volumen de \(\ce{SO3}\) es igual a su fracción molar. Utilizando \[ R=8.314\ \mathrm{kPa\,m^3\,kmol^{-1}\,K^{-1}}, \] la cantidad de trióxido de azufre disponible es \[ n(\ce{SO3}) =\frac{0.10\,pV}{RT} =\frac{0.10(101.3)(1000)}{8.314(273)} =4.4631\ \mathrm{kmol}. \] Por tanto, su masa, denotada por \(S\), es \[ S=4.4631(80.0)=357.048\ \mathrm{kg}. \]
Sean \(y_1\) la masa de agua necesaria y \(m_1\) la masa de óleum producido. Toda el agua añadida reacciona y produce \((98/18)y_1\) kilogramos de ácido sulfúrico. Puesto que el óleum contiene un 80 % de ácido sulfúrico, \[ \frac{98}{18}y_1=0.80m_1. \] El balance de masa total es \[ m_1=S+y_1. \] Combinando estas ecuaciones, \[ 98y_1=14.4(S+y_1), \] de modo que \[ y_1=\frac{14.4}{83.6}S =\frac{36}{209}(357.048) =61.501\ \mathrm{kg}. \] Por tanto, \[ \boxed{m_{\text{agua}}=61.5\ \mathrm{kg}}. \]
6.2
Ahora todo el trióxido de azufre reacciona para formar ácido sulfúrico. La masa de ácido puro formado es \[ m(\ce{H2SO4})=4.4631(98.0)=437.384\ \mathrm{kg}. \] Puesto que esta constituye el 98 % del producto, \[ m_2=\frac{437.384}{0.98} =446.310\ \mathrm{kg}. \]
El agua necesaria tiene dos contribuciones: el agua incorporada al ácido sulfúrico y el agua que permanece en la disolución al 98 %: \[ \begin{aligned} y_2 &=n(\ce{SO3})M(\ce{H2O})+0.02m_2\\ &=4.4631(18.0)+0.02(446.310)\\ &=80.336+8.926\\ &=89.262\ \mathrm{kg}. \end{aligned} \]
Por consiguiente, \[ \boxed{m_{\text{agua}}=89.3\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{m_{\text{ácido al 98 \%}}=446\ \mathrm{kg}}. \]
6.3
Para una masa de óleum \(m_1\), el trióxido de azufre que entra aporta tanto el \(\ce{SO3}\) en exceso, de masa \(0.20m_1\), como el \(\ce{SO3}\) incorporado a \(0.80m_1\) de ácido sulfúrico. Por tanto, su contribución total es \[ \left(0.20+0.80\frac{80}{98}\right)m_1 =\frac{209}{245}m_1. \]
Para una masa \(m_2\) de ácido sulfúrico al 98 %, la masa de trióxido de azufre necesaria es \[ 0.98\frac{80}{98}m_2=\frac45m_2. \]
El balance de trióxido de azufre es, por tanto, \[ S=\frac{209}{245}m_1+\frac45m_2. \] El balance global de masa proporciona la entrada de agua: \[ y=m_1+m_2-S =\frac{36}{245}m_1+\frac15m_2. \]
Sustituyendo \(m_1=xm_2\), \[ S=\left(\frac{209}{245}x+\frac45\right)m_2, \qquad y=\left(\frac{36}{245}x+\frac15\right)m_2. \] Al eliminar \(m_2\), se obtiene \[ \boxed{ y=S\frac{36x+49}{209x+196} \approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196} }. \]
Los casos límite reproducen las respuestas anteriores:
-
Solo ácido sulfúrico al 98 %: \(m_1=0\), por lo que \(x=0\): \[ y(0)=S\frac{49}{196}=\frac{S}{4} =89.3\ \mathrm{kg}. \] La masa del producto es \(m_2=S+y=446\ \mathrm{kg}\), lo que concuerda con 6.2.
-
Solo óleum: \(m_2\to0\), por lo que \(x\to\infty\): \[ \lim_{x\to\infty}y =S\frac{36}{209} =61.5\ \mathrm{kg}, \] lo que concuerda con 6.1.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1991 · 理论题 6
硫酸和发烟硫酸的生产
硫酸的生产过程为:将 \(\ce{SO2}\) 催化氧化为 \(\ce{SO3}\),用浓硫酸吸收 \(\ce{SO3}\),形成发烟硫酸(其中 \(\ce{SO3}\) 的质量分数为 20 %),随后进行适当稀释。离开催化反应室的气体含有氮气、氧气、微量的 \(\ce{SO2}\) 和体积分数为 10 % 的 \(\ce{SO3}\)。三氧化硫 \(\ce{SO3}\) 被转化为硫酸(质量分数为 98 %)和/或发烟硫酸。
6.1 假设唯一的产物是发烟硫酸,计算处理离开催化反应室的 \(1000\ \mathrm{m^3}\) 气体(273 K,101.3 kPa)所需水的质量。
6.2 假设只生产 98 % 硫酸,计算所需水的质量以及由此得到的产物质量。
6.3 工业生产中同时生产发烟硫酸和 98 % 硫酸,两者的质量比为 \(x=m_1/m_2\),其中 \(m_1\) 表示发烟硫酸的质量,\(m_2\) 表示 98 % 硫酸的质量。求出表达式 \(y=f(x)\),描述处理 \(1000\ \mathrm{m^3}\) 气体所消耗水的质量(记为 \(y\))与 \(x\) 值之间的关系。说明 6.1) 和 6.2) 的结果与你得到的数学表达式相符。
题目译自官方英文原文。
答案
- 6.1: 所需水的质量:\(\boxed{61.5\ \mathrm{kg}}\)。
- 6.2: 所需水的质量:\(\boxed{89.3\ \mathrm{kg}}\);生成的 98 % 硫酸的质量:\(\boxed{446\ \mathrm{kg}}\)。
- 6.3: 对于 \(x=m_1/m_2\geq0\), \[ \boxed{y\approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196}}. \] 只生产 98 % 硫酸时,对应于 \(x=0\),得到 \(y=89.3\ \mathrm{kg}\)。只生产发烟硫酸时,对应于 \(x\to\infty\),得到 \(y\to61.5\ \mathrm{kg}\)。
解答
反应涉及的物质为二氧化硫(O=S=O)、氧气(O=O)、三氧化硫(O=S(=O)=O)、硫酸(OS(=O)(=O)O)和水(O)。
催化氧化生成三氧化硫: \[ \ce{2SO2 + O2 -> 2SO3}. \] 制酸过程中消耗水的总反应为 \[ \ce{SO3 + H2O -> H2SO4}. \]
采用以下摩尔质量 \[ M(\ce{SO3})=80.0,\qquad M(\ce{H2O})=18.0,\qquad M(\ce{H2SO4})=98.0 \quad\mathrm{kg\,kmol^{-1}}. \]
我们对整个过程进行物料衡算,因此循环使用的硫酸在输入和输出物流中相互抵消。题目所给的发烟硫酸组成是指,按分析组成的质量计,其中含有 20 % 的过量 \(\ce{SO3}\) 和 80 % 的 \(\ce{H2SO4}\)。发烟硫酸和硫酸水溶液均为混合物,因此不存在代表它们的单一分子 SMILES。
6.1
将气体视为理想气体,则 \(\ce{SO3}\) 的体积分数等于其摩尔分数。采用 \[ R=8.314\ \mathrm{kPa\,m^3\,kmol^{-1}\,K^{-1}}, \] 可供利用的三氧化硫的物质的量为 \[ n(\ce{SO3}) =\frac{0.10\,pV}{RT} =\frac{0.10(101.3)(1000)}{8.314(273)} =4.4631\ \mathrm{kmol}. \] 因此,其质量记为 \(S\),为 \[ S=4.4631(80.0)=357.048\ \mathrm{kg}. \]
设所需水的质量为 \(y_1\),生成的发烟硫酸的质量为 \(m_1\)。加入的水全部参与反应,生成 \((98/18)y_1\) 千克硫酸。由于发烟硫酸中含有 80 % 的硫酸, \[ \frac{98}{18}y_1=0.80m_1. \] 总质量衡算为 \[ m_1=S+y_1. \] 联立这些方程,得 \[ 98y_1=14.4(S+y_1), \] 因此 \[ y_1=\frac{14.4}{83.6}S =\frac{36}{209}(357.048) =61.501\ \mathrm{kg}. \] 所以, \[ \boxed{m_{\text{水}}=61.5\ \mathrm{kg}}. \]
6.2
此时,全部三氧化硫均反应生成硫酸。生成的纯硫酸的质量为 \[ m(\ce{H2SO4})=4.4631(98.0)=437.384\ \mathrm{kg}. \] 由于其占产物质量的 98 %, \[ m_2=\frac{437.384}{0.98} =446.310\ \mathrm{kg}. \]
所需的水包括两部分:反应生成硫酸所消耗的水,以及留在 98 % 溶液中的水: \[ \begin{aligned} y_2 &=n(\ce{SO3})M(\ce{H2O})+0.02m_2\\ &=4.4631(18.0)+0.02(446.310)\\ &=80.336+8.926\\ &=89.262\ \mathrm{kg}. \end{aligned} \]
因此, \[ \boxed{m_{\text{水}}=89.3\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{m_{\text{98 \% 硫酸}}=446\ \mathrm{kg}}. \]
6.3
对于质量为 \(m_1\) 的发烟硫酸,输入的三氧化硫既提供质量为 \(0.20m_1\) 的过量 \(\ce{SO3}\),也提供生成质量为 \(0.80m_1\) 的硫酸所需的 \(\ce{SO3}\)。因此,所需三氧化硫的总质量为 \[ \left(0.20+0.80\frac{80}{98}\right)m_1 =\frac{209}{245}m_1. \]
对于质量为 \(m_2\) 的 98 % 硫酸,所需三氧化硫的质量为 \[ 0.98\frac{80}{98}m_2=\frac45m_2. \]
因此,三氧化硫的物料衡算为 \[ S=\frac{209}{245}m_1+\frac45m_2. \] 由总质量衡算得到水的输入量: \[ y=m_1+m_2-S =\frac{36}{245}m_1+\frac15m_2. \]
代入 \(m_1=xm_2\), \[ S=\left(\frac{209}{245}x+\frac45\right)m_2, \qquad y=\left(\frac{36}{245}x+\frac15\right)m_2. \] 消去 \(m_2\),得 \[ \boxed{ y=S\frac{36x+49}{209x+196} \approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196} }. \]
以下极限情形可重现前面得到的答案:
-
只生产 98 % 硫酸: \(m_1=0\),因此 \(x=0\): \[ y(0)=S\frac{49}{196}=\frac{S}{4} =89.3\ \mathrm{kg}. \] 产物质量为 \(m_2=S+y=446\ \mathrm{kg}\),与 6.2 一致。
-
只生产发烟硫酸: \(m_2\to0\),因此 \(x\to\infty\): \[ \lim_{x\to\infty}y =S\frac{36}{209} =61.5\ \mathrm{kg}, \] 与 6.1 一致。
解答已与官方解答核对。
IChO 1991 · Теоретическая задача 6
Производство серной кислоты и олеума
Серную кислоту получают путём каталитического окисления \(\ce{SO2}\) до \(\ce{SO3}\), поглощения \(\ce{SO3}\) концентрированной серной кислотой с образованием олеума (содержащего 20 % \(\ce{SO3}\) по массе) и последующего разбавления до требуемой концентрации. Газ, выходящий из контактного аппарата, содержит азот, кислород, следовые количества \(\ce{SO2}\) и 10 % (по объёму) \(\ce{SO3}\). Триоксид серы \(\ce{SO3}\) превращают в серную кислоту (98 % по массе) и/или олеум.
6.1 Предполагая, что единственным получаемым продуктом является олеум, рассчитайте массу воды, необходимую для переработки \(1000\ \mathrm{m^3}\) газа, выходящего из контактного аппарата (273 K, 101.3 kPa).
6.2 Предполагая, что получают только 98 % серную кислоту, рассчитайте необходимую массу воды и массу получаемого при этом продукта.
6.3 В промышленности олеум и 98 % серную кислоту получают одновременно в массовом соотношении \(x=m_1/m_2\), где \(m_1\) обозначает массу олеума, а \(m_2\) — массу 98 % серной кислоты. Найдите выражение \(y=f(x)\), описывающее зависимость массы воды, расходуемой на переработку \(1000\ \mathrm{m^3}\) газа (обозначенной \(y\)), от значения \(x\). Покажите, что результаты 6.1) и 6.2) хорошо согласуются с полученным математическим выражением.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 6.1: Необходимая масса воды: \(\boxed{61.5\ \mathrm{kg}}\).
- 6.2: Необходимая масса воды: \(\boxed{89.3\ \mathrm{kg}}\); масса полученной 98 % серной кислоты: \(\boxed{446\ \mathrm{kg}}\).
- 6.3: При \(x=m_1/m_2\geq0\), \[ \boxed{y\approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196}}. \] Получению только 98 % кислоты соответствует \(x=0\), что даёт \(y=89.3\ \mathrm{kg}\). Получению только олеума соответствует \(x\to\infty\), что даёт \(y\to61.5\ \mathrm{kg}\).
Решение
В реакциях участвуют диоксид серы (O=S=O), кислород (O=O), триоксид серы (O=S(=O)=O), серная кислота (OS(=O)(=O)O) и вода (O).
При каталитическом окислении образуется триоксид серы: \[ \ce{2SO2 + O2 -> 2SO3}. \] Суммарная реакция, в которой расходуется вода при производстве кислоты, имеет вид \[ \ce{SO3 + H2O -> H2SO4}. \]
Используем молярные массы \[ M(\ce{SO3})=80.0,\qquad M(\ce{H2O})=18.0,\qquad M(\ce{H2SO4})=98.0 \quad\mathrm{kg\,kmol^{-1}}. \]
Составим баланс всего процесса, поэтому циркулирующая серная кислота сокращается во входном и выходном потоках. Указанный состав олеума означает, что при аналитическом представлении состава по массе на избыточный \(\ce{SO3}\) приходится 20 %, а на \(\ce{H2SO4}\) — 80 %. Олеум и водный раствор серной кислоты являются смесями, поэтому для них не существует единой молекулярной записи SMILES.
6.1
Если считать газ идеальным, объёмная доля \(\ce{SO3}\) равна его мольной доле. Используя \[ R=8.314\ \mathrm{kPa\,m^3\,kmol^{-1}\,K^{-1}}, \] получаем количество имеющегося триоксида серы: \[ n(\ce{SO3}) =\frac{0.10\,pV}{RT} =\frac{0.10(101.3)(1000)}{8.314(273)} =4.4631\ \mathrm{kmol}. \] Таким образом, его масса, обозначенная \(S\), равна \[ S=4.4631(80.0)=357.048\ \mathrm{kg}. \]
Пусть \(y_1\) — необходимая масса воды, а \(m_1\) — масса полученного олеума. Вся добавленная вода вступает в реакцию, образуя \((98/18)y_1\) килограммов серной кислоты. Поскольку олеум содержит 80 % серной кислоты, \[ \frac{98}{18}y_1=0.80m_1. \] Общий материальный баланс имеет вид \[ m_1=S+y_1. \] Объединяя эти уравнения, получаем \[ 98y_1=14.4(S+y_1), \] откуда \[ y_1=\frac{14.4}{83.6}S =\frac{36}{209}(357.048) =61.501\ \mathrm{kg}. \] Следовательно, \[ \boxed{m_{\text{воды}}=61.5\ \mathrm{kg}}. \]
6.2
Теперь весь триоксид серы вступает в реакцию с образованием серной кислоты. Масса образовавшейся чистой кислоты равна \[ m(\ce{H2SO4})=4.4631(98.0)=437.384\ \mathrm{kg}. \] Поскольку она составляет 98 % продукта, \[ m_2=\frac{437.384}{0.98} =446.310\ \mathrm{kg}. \]
Необходимая масса воды складывается из двух составляющих: воды, вошедшей в состав серной кислоты, и воды, остающейся в 98 % растворе: \[ \begin{aligned} y_2 &=n(\ce{SO3})M(\ce{H2O})+0.02m_2\\ &=4.4631(18.0)+0.02(446.310)\\ &=80.336+8.926\\ &=89.262\ \mathrm{kg}. \end{aligned} \]
Следовательно, \[ \boxed{m_{\text{воды}}=89.3\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{m_{\text{98 \% кислоты}}=446\ \mathrm{kg}}. \]
6.3
При получении олеума массой \(m_1\) поступающий триоксид серы обеспечивает как избыточный \(\ce{SO3}\) массой \(0.20m_1\), так и \(\ce{SO3}\), входящий в состав серной кислоты массой \(0.80m_1\). Таким образом, его суммарная масса составляет \[ \left(0.20+0.80\frac{80}{98}\right)m_1 =\frac{209}{245}m_1. \]
Для получения 98 % серной кислоты массой \(m_2\) необходимая масса триоксида серы равна \[ 0.98\frac{80}{98}m_2=\frac45m_2. \]
Следовательно, баланс триоксида серы имеет вид \[ S=\frac{209}{245}m_1+\frac45m_2. \] Из общего материального баланса получаем массу подаваемой воды: \[ y=m_1+m_2-S =\frac{36}{245}m_1+\frac15m_2. \]
Подставляя \(m_1=xm_2\), получаем \[ S=\left(\frac{209}{245}x+\frac45\right)m_2, \qquad y=\left(\frac{36}{245}x+\frac15\right)m_2. \] Исключая \(m_2\), находим \[ \boxed{ y=S\frac{36x+49}{209x+196} \approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196} }. \]
Предельные случаи воспроизводят полученные ранее ответы:
-
Только 98 % серная кислота: \(m_1=0\), поэтому \(x=0\): \[ y(0)=S\frac{49}{196}=\frac{S}{4} =89.3\ \mathrm{kg}. \] Масса продукта равна \(m_2=S+y=446\ \mathrm{kg}\), что согласуется с 6.2.
-
Только олеум: \(m_2\to0\), поэтому \(x\to\infty\): \[ \lim_{x\to\infty}y =S\frac{36}{209} =61.5\ \mathrm{kg}, \] что согласуется с 6.1.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1991 · مسألة نظرية 6
إنتاج حمض الكبريتيك والأوليوم
يُنتَج حمض الكبريتيك بالأكسدة الحفزية لـ \(\ce{SO2}\) إلى \(\ce{SO3}\)، وامتصاص \(\ce{SO3}\) في حمض الكبريتيك المركّز لتكوين الأوليوم (الذي يحتوي على 20 % من \(\ce{SO3}\) كتليًا)، ثم التخفيف المناسب بعد ذلك. يحتوي الغاز الخارج من حجرة الحفّاز على النيتروجين والأكسجين وآثار من \(\ce{SO2}\) و10 % (حجميًا) من \(\ce{SO3}\). ويُحوَّل ثالث أكسيد الكبريت، \(\ce{SO3}\)، إلى حمض الكبريتيك (98 % كتليًا) و/أو الأوليوم.
6.1 بافتراض أن الأوليوم هو الناتج الوحيد المتكوّن، احسب كتلة الماء اللازمة لمعالجة \(1000\ \mathrm{m^3}\) من الغاز الخارج من حجرة الحفّاز (273 K، 101.3 kPa).
6.2 بافتراض إنتاج حمض الكبريتيك بتركيز 98 % فقط، احسب كتلة الماء اللازمة وكتلة الناتج المتكوّن بذلك.
6.3 يُنتَج في الصناعة كلٌّ من الأوليوم وحمض الكبريتيك بتركيز 98 % بنسبة كتلية مقدارها \(x=m_1/m_2\)، حيث يرمز \(m_1\) إلى كتلة الأوليوم، ويرمز \(m_2\) إلى كتلة حمض الكبريتيك بتركيز 98 %. أوجد تعبيرًا \(y=f(x)\) يصف العلاقة بين كتلة الماء المستهلكة لمعالجة \(1000\ \mathrm{m^3}\) من الغاز (ويرمز إليها بـ \(y\)) وقيمة \(x\). بيّن أن نتيجتي 6.1) و6.2) تتوافقان جيدًا مع تعبيرك الرياضي.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 6.1: الماء اللازم: \(\boxed{61.5\ \mathrm{kg}}\).
- 6.2: الماء اللازم: \(\boxed{89.3\ \mathrm{kg}}\)؛ كتلة حمض الكبريتيك بتركيز 98 % المُنتَج: \(\boxed{446\ \mathrm{kg}}\).
- 6.3: عندما يكون \(x=m_1/m_2\geq0\)، \[ \boxed{y\approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196}}. \] يقابل إنتاج الحمض بتركيز 98 % وحده الحالة \(x=0\)، التي تعطي \(y=89.3\ \mathrm{kg}\). ويقابل إنتاج الأوليوم وحده الحالة \(x\to\infty\)، التي تعطي \(y\to61.5\ \mathrm{kg}\).
الحل
الأنواع الكيميائية الداخلة في التفاعلات هي ثاني أكسيد الكبريت (O=S=O)، والأكسجين (O=O)، وثالث أكسيد الكبريت (O=S(=O)=O)، وحمض الكبريتيك (OS(=O)(=O)O)، والماء (O).
تُنتِج الأكسدة الحفزية ثالث أكسيد الكبريت: \[ \ce{2SO2 + O2 -> 2SO3}. \] التفاعل الصافي الذي يستهلك الماء أثناء إنتاج الحمض هو \[ \ce{SO3 + H2O -> H2SO4}. \]
نستخدم الكتل المولية \[ M(\ce{SO3})=80.0,\qquad M(\ce{H2O})=18.0,\qquad M(\ce{H2SO4})=98.0 \quad\mathrm{kg\,kmol^{-1}}. \]
نُجري موازنة للعملية ككل، ولذلك يُلغى حمض الكبريتيك المعاد تدويره من تياري الدخول والخروج. ويعني تركيب الأوليوم المذكور وجود 20 % من \(\ce{SO3}\) الفائض و80 % من \(\ce{H2SO4}\) على أساس كتلي تحليلي. والأوليوم وحمض الكبريتيك المائي خليطان، ولذلك لا توجد لأيٍّ منهما صيغة SMILES جزيئية واحدة.
6.1
باعتبار الغاز مثاليًا، فإن الكسر الحجمي لـ \(\ce{SO3}\) يساوي كسره المولي. باستخدام \[ R=8.314\ \mathrm{kPa\,m^3\,kmol^{-1}\,K^{-1}}, \] تكون كمية مادة ثالث أكسيد الكبريت المتاحة \[ n(\ce{SO3}) =\frac{0.10\,pV}{RT} =\frac{0.10(101.3)(1000)}{8.314(273)} =4.4631\ \mathrm{kmol}. \] ومن ثم تكون كتلته، التي نرمز إليها بـ \(S\)، \[ S=4.4631(80.0)=357.048\ \mathrm{kg}. \]
لتكن \(y_1\) كتلة الماء اللازمة و\(m_1\) كتلة الأوليوم المُنتَج. يتفاعل الماء المضاف كله، فيُنتِج \((98/18)y_1\) كيلوغرامًا من حمض الكبريتيك. وبما أن الأوليوم يحتوي على 80 % من حمض الكبريتيك، فإن \[ \frac{98}{18}y_1=0.80m_1. \] موازنة الكتلة الكلية هي \[ m_1=S+y_1. \] بدمج هاتين المعادلتين، نحصل على \[ 98y_1=14.4(S+y_1), \] ومن ثم \[ y_1=\frac{14.4}{83.6}S =\frac{36}{209}(357.048) =61.501\ \mathrm{kg}. \] إذًا، \[ \boxed{m_{\text{الماء}}=61.5\ \mathrm{kg}}. \]
6.2
يتفاعل الآن ثالث أكسيد الكبريت كله لتكوين حمض الكبريتيك. وتكون كتلة الحمض النقي المتكوّن \[ m(\ce{H2SO4})=4.4631(98.0)=437.384\ \mathrm{kg}. \] وبما أن هذه الكتلة تمثل 98 % من الناتج، فإن \[ m_2=\frac{437.384}{0.98} =446.310\ \mathrm{kg}. \]
تتألف كمية الماء اللازمة من جزأين: الماء الذي يدخل في تكوين حمض الكبريتيك والماء الذي يبقى في المحلول ذي التركيز 98 %: \[ \begin{aligned} y_2 &=n(\ce{SO3})M(\ce{H2O})+0.02m_2\\ &=4.4631(18.0)+0.02(446.310)\\ &=80.336+8.926\\ &=89.262\ \mathrm{kg}. \end{aligned} \]
وعليه، \[ \boxed{m_{\text{الماء}}=89.3\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{m_{\text{حمض بتركيز 98 \%}}=446\ \mathrm{kg}}. \]
6.3
لإنتاج كتلة \(m_1\) من الأوليوم، يوفّر ثالث أكسيد الكبريت الداخل كلًّا من \(\ce{SO3}\) الفائض، الذي تبلغ كتلته \(0.20m_1\)، و\(\ce{SO3}\) الذي يدخل في تكوين كتلة \(0.80m_1\) من حمض الكبريتيك. ولذلك تكون مساهمته الكلية \[ \left(0.20+0.80\frac{80}{98}\right)m_1 =\frac{209}{245}m_1. \]
لإنتاج كتلة \(m_2\) من حمض الكبريتيك بتركيز 98 %، تكون كتلة ثالث أكسيد الكبريت اللازمة \[ 0.98\frac{80}{98}m_2=\frac45m_2. \]
وعليه، تكون موازنة ثالث أكسيد الكبريت \[ S=\frac{209}{245}m_1+\frac45m_2. \] وتعطي موازنة الكتلة الكلية كتلة الماء الداخل: \[ y=m_1+m_2-S =\frac{36}{245}m_1+\frac15m_2. \]
بالتعويض بـ \(m_1=xm_2\)، نحصل على \[ S=\left(\frac{209}{245}x+\frac45\right)m_2, \qquad y=\left(\frac{36}{245}x+\frac15\right)m_2. \] بحذف \(m_2\)، نحصل على \[ \boxed{ y=S\frac{36x+49}{209x+196} \approx(357\ \mathrm{kg})\frac{36x+49}{209x+196} }. \]
تُعيد الحالتان الحدّيتان إنتاج الإجابات السابقة:
-
حمض الكبريتيك بتركيز 98 % فقط: \(m_1=0\)، ومن ثم \(x=0\): \[ y(0)=S\frac{49}{196}=\frac{S}{4} =89.3\ \mathrm{kg}. \] تبلغ كتلة الناتج \(m_2=S+y=446\ \mathrm{kg}\)، وهو ما يتفق مع 6.2.
-
الأوليوم فقط: \(m_2\to0\)، ومن ثم \(x\to\infty\): \[ \lim_{x\to\infty}y =S\frac{36}{209} =61.5\ \mathrm{kg}, \] وهو ما يتفق مع 6.1.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.