IChO 2006 · Theory problem 7
Hydrogen Economy
Hydrogen is more energy-dense than carbon, by mass. Thus, historically there has been a move toward fuel with higher hydrogen content: coal → oil → natural gas → hydrogen. Cost-effective production and safe storage of hydrogen are two major hurdles to the successful inauguration of a hydrogen economy.
7.1 Consider hydrogen in a cylinder of 80 MPa at 25 °C. Using the ideal gas law, estimate the density of hydrogen in the cylinder in kg m\(^{-3}\).
7.2 Calculate the ratio between heat generated when hydrogen is burned and heat generated when the same weight of carbon is burned. The difference comes to a large extent from the fact that the most abundant isotope of hydrogen has no neutron and hydrogen has no inner electron shell. \(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{H2O(l)}] = -286\ \mathrm{kJ/mol}\), \(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{CO2(g)}] = -394\ \mathrm{kJ/mol}\).
7.3 Calculate the theoretical maximum work produced by the combustion of 1 kg hydrogen (a) from the electric motor using hydrogen fuel cell and (b) from the heat engine working between 25 °C and 300 °C. The efficiency (work done/heat absorbed) of an ideal heat engine working between \(T_{\mathrm{cold}}\) and \(T_{\mathrm{hot}}\) is given by \([1-T_{\mathrm{cold}}/T_{\mathrm{hot}}]\).
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2(g)}]=131\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{O2(g)}]=205\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2O(l)}]=70\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
If the fuel cell is working at 1 W and the standard potential difference, how long will the electric motor run at what current?
Official English text of the problem.
Answers
- 7.1: \(\boxed{\rho\approx65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}\), using the ideal gas law.
- 7.2: \(\boxed{q_{\mathrm{hydrogen}}/q_{\mathrm{carbon}}\approx4.32}\) for equal fuel masses.
- 7.3(a): \(\boxed{W_{\max}\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm J=118\ \mathrm{MJ}}\).
- 7.3(b): \(\boxed{W_{\max}\approx6.81\times10^{7}\ \mathrm J=68.1\ \mathrm{MJ}}\).
- 7.3, operation at 1 W: \(\boxed{t\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm s\approx3.73\ \text{years}}\), at \(\boxed{I\approx0.813\ \mathrm A}\), with standard cell voltage \(\boxed{E^\circ\approx1.23\ \mathrm V}\).
These values use \(M(\ce{H2})=2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) and \(M(\ce{C})=12.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Solution
Use \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}, \qquad T=298.15\ \mathrm K. \]
The molecular species involved are molecular hydrogen, \(\ce{H2}\), [H][H]; molecular oxygen, \(\ce{O2}\), O=O; water, \(\ce{H2O}\), O; and carbon dioxide, \(\ce{CO2}\), O=C=O. Elemental carbon is taken as graphite, whose extended lattice has no single molecular SMILES.
7.1 — Density of compressed hydrogen
From the ideal gas law, \[ PV=nRT=\frac{m}{M}RT, \] so \[ \rho=\frac{m}{V}=\frac{PM}{RT}. \]
Substituting in SI units, \[ \rho= \frac{(80\times10^{6}\ \mathrm{Pa}) (2.016\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (298.15\ \mathrm K)} =\boxed{65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}. \]
This is the ideal-gas estimate requested.
7.2 — Heat released by equal masses
The balanced combustion reactions are \[ \ce{H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(l)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-286\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] and \[ \ce{C(s, graphite) + O2(g) -> CO2(g)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-394\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
The reaction enthalpies equal the given product formation enthalpies because each reactant is an element in its standard state.
The positive magnitudes of heat released per gram are \[ q_{\mathrm{hydrogen}} =\frac{286}{2.016} =141.9\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}, \] \[ q_{\mathrm{carbon}} =\frac{394}{12.01} =32.81\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}. \]
Thus, for equal masses, \[ \boxed{ \frac{q_{\mathrm{hydrogen}}}{q_{\mathrm{carbon}}} =\frac{286/2.016}{394/12.01} =4.32 }. \]
7.3(a) — Maximum work from the fuel cell and electric motor
At constant temperature and pressure, the maximum electrical work delivered by a reversible fuel cell is the decrease in Gibbs energy: \[ W_{\mathrm{electrical,max}}=-n\Delta_{\mathrm r}G^\circ. \] An ideal electric motor converts all this electrical work into mechanical work.
For the hydrogen combustion reaction, \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}S^\circ &=S^\circ(\ce{H2O(l)}) -S^\circ(\ce{H2(g)}) -\frac12S^\circ(\ce{O2(g)})\\ &=70-131-\frac12(205)\\ &=-163.5\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
Using the supplied \(298\ \mathrm K\) entropy values at \(298.15\ \mathrm K\), \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\Delta_{\mathrm r}H^\circ-T\Delta_{\mathrm r}S^\circ\\ &=-286-(298.15)(-0.1635)\\ &=-237.252\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
The amount of hydrogen in \(1\ \mathrm{kg}\) is \[ n=\frac{1000\ \mathrm g}{2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =496.03\ \mathrm{mol}. \]
Therefore, \[ W_{\max} =(496.03)(237.252)\ \mathrm{kJ} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm J}. \]
7.3(b) — Maximum work from the heat engine
The temperatures must be expressed in kelvin: \[ T_{\mathrm{cold}}=298.15\ \mathrm K, \qquad T_{\mathrm{hot}}=573.15\ \mathrm K. \]
The Carnot efficiency is \[ \eta_{\max} =1-\frac{298.15}{573.15} =0.4798. \]
Using the supplied combustion enthalpy, the heat available from \(1\ \mathrm{kg}\) of hydrogen is \[ Q=n|\Delta_{\mathrm r}H^\circ| =(496.03)(286) =1.41865\times10^5\ \mathrm{kJ}. \]
In the idealized heat-engine model specified by the problem, \[ W_{\max}=\eta_{\max}Q =(0.4798)(1.41865\times10^8\ \mathrm J) =\boxed{6.81\times10^7\ \mathrm J}. \]
7.3 — Running time and current at 1 W
Each hydrogen atom changes oxidation state from \(0\) in \(\ce{H2}\) to \(+1\) in water. Consequently, combustion of one molecule of \(\ce{H2}\) transfers two electrons through the external circuit.
The standard cell voltage therefore follows from \[ \Delta_{\mathrm r}G^\circ=-2FE^\circ: \] \[ E^\circ =\frac{237252\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {2(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2295\ \mathrm V. \]
Since electrical power is \(P=E^\circ I\), \[ I=\frac{1\ \mathrm W}{1.2295\ \mathrm V} =\boxed{0.813\ \mathrm A}. \]
At a constant power of \(1\ \mathrm W=1\ \mathrm{J\,s^{-1}}\), the maximum running time is \[ t=\frac{W_{\mathrm{electrical,max}}}{P} =\frac{1.17685\times10^8\ \mathrm J} {1\ \mathrm{J\,s^{-1}}} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm s}. \]
Using \(365.25\) days per year, \[ \boxed{t\approx3.73\ \text{years}}. \]
If rounded molar masses \(M(\ce{H2})=2.00\) and \(M(\ce{C})=12.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) are used instead, the corresponding results are \(64.5\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(4.36\), \(119\ \mathrm{MJ}\), \(68.6\ \mathrm{MJ}\), and \(3.76\) years. The voltage and current are unchanged.
The solution was checked against the official solution.
IChO 2006 · Theorieaufgabe 7
Wasserstoffwirtschaft
Wasserstoff hat bezogen auf seine Masse eine höhere Energiedichte als Kohlenstoff. Daher gab es im Laufe der Geschichte eine Entwicklung hin zu Brennstoffen mit höherem Wasserstoffgehalt: Kohle → Erdöl → Erdgas → Wasserstoff. Die kostengünstige Herstellung und die sichere Speicherung von Wasserstoff sind zwei wesentliche Hürden für die erfolgreiche Einführung einer Wasserstoffwirtschaft.
7.1 Betrachten Sie Wasserstoff in einer Gasflasche bei 80 MPa und 25 °C. Schätzen Sie mithilfe des idealen Gasgesetzes die Dichte des Wasserstoffs in der Gasflasche in kg m\(^{-3}\) ab.
7.2 Berechnen Sie das Verhältnis zwischen der bei der Verbrennung von Wasserstoff freigesetzten Wärme und der bei der Verbrennung derselben Masse Kohlenstoff freigesetzten Wärme. Der Unterschied beruht zu einem großen Teil darauf, dass das häufigste Wasserstoffisotop kein Neutron besitzt und Wasserstoff keine innere Elektronenschale hat. \(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{H2O(l)}] = -286\ \mathrm{kJ/mol}\), \(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{CO2(g)}] = -394\ \mathrm{kJ/mol}\).
7.3 Berechnen Sie die theoretisch maximal gewinnbare Arbeit bei der Verbrennung von 1 kg Wasserstoff (a) mit einem Elektromotor, der von einer Wasserstoffbrennstoffzelle gespeist wird, und (b) mit einer Wärmekraftmaschine, die zwischen 25 °C und 300 °C arbeitet. Der Wirkungsgrad (verrichtete Arbeit/aufgenommene Wärme) einer idealen Wärmekraftmaschine, die zwischen \(T_{\mathrm{cold}}\) und \(T_{\mathrm{hot}}\) arbeitet, ist durch \([1-T_{\mathrm{cold}}/T_{\mathrm{hot}}]\) gegeben.
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2(g)}]=131\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{O2(g)}]=205\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2O(l)}]=70\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
Wenn die Brennstoffzelle mit einer Leistung von 1 W und bei der Standardpotentialdifferenz arbeitet, wie lange läuft der Elektromotor und bei welcher Stromstärke?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 7.1: \(\boxed{\rho\approx65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}\), unter Verwendung des idealen Gasgesetzes.
- 7.2: \(\boxed{q_{\mathrm{hydrogen}}/q_{\mathrm{carbon}}\approx4.32}\) für gleiche Brennstoffmassen.
- 7.3(a): \(\boxed{W_{\max}\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm J=118\ \mathrm{MJ}}\).
- 7.3(b): \(\boxed{W_{\max}\approx6.81\times10^{7}\ \mathrm J=68.1\ \mathrm{MJ}}\).
- 7.3, Betrieb bei 1 W: \(\boxed{t\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm s\approx3.73\ \text{Jahre}}\), bei \(\boxed{I\approx0.813\ \mathrm A}\), mit der Standardzellspannung \(\boxed{E^\circ\approx1.23\ \mathrm V}\).
Diese Werte wurden mit \(M(\ce{H2})=2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) und \(M(\ce{C})=12.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) berechnet.
Lösung
Wir verwenden \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}, \qquad T=298.15\ \mathrm K. \]
Die beteiligten molekularen Spezies sind molekularer Wasserstoff, \(\ce{H2}\), [H][H]; molekularer Sauerstoff, \(\ce{O2}\), O=O; Wasser, \(\ce{H2O}\), O; und Kohlenstoffdioxid, \(\ce{CO2}\), O=C=O. Elementarer Kohlenstoff wird als Graphit angenommen, dessen ausgedehntes Gitter sich nicht durch einen einzelnen molekularen SMILES-Code darstellen lässt.
7.1 — Dichte von komprimiertem Wasserstoff
Aus dem idealen Gasgesetz folgt \[ PV=nRT=\frac{m}{M}RT, \] also \[ \rho=\frac{m}{V}=\frac{PM}{RT}. \]
Einsetzen in SI-Einheiten ergibt \[ \rho= \frac{(80\times10^{6}\ \mathrm{Pa}) (2.016\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (298.15\ \mathrm K)} =\boxed{65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}. \]
Dies ist die geforderte Abschätzung anhand des idealen Gasgesetzes.
7.2 — Bei gleichen Massen freigesetzte Wärme
Die ausgeglichenen Verbrennungsreaktionen lauten \[ \ce{H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(l)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-286\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] und \[ \ce{C(s, graphite) + O2(g) -> CO2(g)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-394\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
Die Reaktionsenthalpien entsprechen den angegebenen Bildungsenthalpien der Produkte, da jeder Reaktand ein Element in seinem Standardzustand ist.
Die positiven Beträge der pro Gramm freigesetzten Wärme sind \[ q_{\mathrm{hydrogen}} =\frac{286}{2.016} =141.9\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}, \] \[ q_{\mathrm{carbon}} =\frac{394}{12.01} =32.81\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}. \]
Somit gilt für gleiche Massen \[ \boxed{ \frac{q_{\mathrm{hydrogen}}}{q_{\mathrm{carbon}}} =\frac{286/2.016}{394/12.01} =4.32 }. \]
7.3(a) — Maximale Arbeit aus Brennstoffzelle und Elektromotor
Bei konstanter Temperatur und konstantem Druck entspricht die maximale elektrische Arbeit, die eine reversible Brennstoffzelle abgibt, der Abnahme der Gibbs-Energie: \[ W_{\mathrm{electrical,max}}=-n\Delta_{\mathrm r}G^\circ. \] Ein idealer Elektromotor wandelt diese gesamte elektrische Arbeit in mechanische Arbeit um.
Für die Verbrennungsreaktion von Wasserstoff gilt \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}S^\circ &=S^\circ(\ce{H2O(l)}) -S^\circ(\ce{H2(g)}) -\frac12S^\circ(\ce{O2(g)})\\ &=70-131-\frac12(205)\\ &=-163.5\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
Mit den angegebenen Entropiewerten für \(298\ \mathrm K\), angewendet bei \(298.15\ \mathrm K\), ergibt sich \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\Delta_{\mathrm r}H^\circ-T\Delta_{\mathrm r}S^\circ\\ &=-286-(298.15)(-0.1635)\\ &=-237.252\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Die Stoffmenge an Wasserstoff in \(1\ \mathrm{kg}\) beträgt \[ n=\frac{1000\ \mathrm g}{2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =496.03\ \mathrm{mol}. \]
Daher gilt \[ W_{\max} =(496.03)(237.252)\ \mathrm{kJ} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm J}. \]
7.3(b) — Maximale Arbeit aus der Wärmekraftmaschine
Die Temperaturen müssen in Kelvin angegeben werden: \[ T_{\mathrm{cold}}=298.15\ \mathrm K, \qquad T_{\mathrm{hot}}=573.15\ \mathrm K. \]
Der Carnot-Wirkungsgrad beträgt \[ \eta_{\max} =1-\frac{298.15}{573.15} =0.4798. \]
Mit der angegebenen Verbrennungsenthalpie beträgt die aus \(1\ \mathrm{kg}\) Wasserstoff verfügbare Wärme \[ Q=n|\Delta_{\mathrm r}H^\circ| =(496.03)(286) =1.41865\times10^5\ \mathrm{kJ}. \]
Im idealisierten Modell der Wärmekraftmaschine, das in der Aufgabe vorgegeben ist, gilt \[ W_{\max}=\eta_{\max}Q =(0.4798)(1.41865\times10^8\ \mathrm J) =\boxed{6.81\times10^7\ \mathrm J}. \]
7.3 — Laufzeit und Stromstärke bei 1 W
Die Oxidationszahl jedes Wasserstoffatoms ändert sich von \(0\) in \(\ce{H2}\) zu \(+1\) in Wasser. Folglich werden bei der Verbrennung eines Moleküls \(\ce{H2}\) zwei Elektronen durch den äußeren Stromkreis übertragen.
Die Standardzellspannung folgt daher aus \[ \Delta_{\mathrm r}G^\circ=-2FE^\circ: \] \[ E^\circ =\frac{237252\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {2(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2295\ \mathrm V. \]
Da die elektrische Leistung \(P=E^\circ I\) beträgt, gilt \[ I=\frac{1\ \mathrm W}{1.2295\ \mathrm V} =\boxed{0.813\ \mathrm A}. \]
Bei einer konstanten Leistung von \(1\ \mathrm W=1\ \mathrm{J\,s^{-1}}\) beträgt die maximale Laufzeit \[ t=\frac{W_{\mathrm{electrical,max}}}{P} =\frac{1.17685\times10^8\ \mathrm J} {1\ \mathrm{J\,s^{-1}}} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm s}. \]
Mit \(365.25\) Tagen pro Jahr ergibt sich \[ \boxed{t\approx3.73\ \text{Jahre}}. \]
Werden stattdessen die gerundeten molaren Massen \(M(\ce{H2})=2.00\) und \(M(\ce{C})=12.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) verwendet, lauten die entsprechenden Ergebnisse \(64.5\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(4.36\), \(119\ \mathrm{MJ}\), \(68.6\ \mathrm{MJ}\) und \(3.76\) Jahre. Spannung und Stromstärke bleiben unverändert.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2006 · Teori sorusu 7
Hidrojen Ekonomisi
Hidrojenin birim kütle başına enerji yoğunluğu karbonunkinden daha yüksektir. Bu nedenle, tarih boyunca hidrojen içeriği daha yüksek yakıtlara doğru bir geçiş olmuştur: kömür → petrol → doğal gaz → hidrojen. Hidrojenin ekonomik olarak üretilmesi ve güvenli biçimde depolanması, hidrojen ekonomisinin başarıyla hayata geçirilmesinin önündeki iki büyük engeldir.
7.1 Bir tüpte 25 °C sıcaklıkta ve 80 MPa basınçta bulunan hidrojeni ele alın. İdeal gaz yasasını kullanarak tüpteki hidrojenin yoğunluğunu kg m\(^{-3}\) cinsinden tahmin edin.
7.2 Hidrojen yakıldığında açığa çıkan ısının, aynı kütlede karbon yakıldığında açığa çıkan ısıya oranını hesaplayın. Aradaki fark, büyük ölçüde hidrojenin en bol bulunan izotopunun nötron içermemesinden ve hidrojenin iç elektron kabuğunun bulunmamasından kaynaklanır. \(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{H2O(l)}] = -286\ \mathrm{kJ/mol}\), \(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{CO2(g)}] = -394\ \mathrm{kJ/mol}\).
7.3 1 kg hidrojenin yanmasıyla (a) hidrojen yakıt hücresi kullanan bir elektrik motorundan ve (b) 25 °C ile 300 °C arasında çalışan bir ısı makinesinden elde edilebilecek teorik maksimum işi hesaplayın. \(T_{\mathrm{cold}}\) ile \(T_{\mathrm{hot}}\) arasında çalışan ideal bir ısı makinesinin verimi (yapılan iş/alınan ısı), \([1-T_{\mathrm{cold}}/T_{\mathrm{hot}}]\) ile verilir.
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2(g)}]=131\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{O2(g)}]=205\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2O(l)}]=70\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
Yakıt hücresi 1 W güçte ve standart potansiyel farkında çalışıyorsa, elektrik motoru hangi akımda ne kadar süre çalışır?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 7.1: İdeal gaz yasası kullanılarak \(\boxed{\rho\approx65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}\).
- 7.2: Eşit yakıt kütleleri için \(\boxed{q_{\mathrm{hydrogen}}/q_{\mathrm{carbon}}\approx4.32}\).
- 7.3(a): \(\boxed{W_{\max}\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm J=118\ \mathrm{MJ}}\).
- 7.3(b): \(\boxed{W_{\max}\approx6.81\times10^{7}\ \mathrm J=68.1\ \mathrm{MJ}}\).
- 7.3, 1 W güçte çalışma: \(\boxed{t\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm s\approx3.73\ \text{yıl}}\); akım \(\boxed{I\approx0.813\ \mathrm A}\), standart hücre gerilimi ise \(\boxed{E^\circ\approx1.23\ \mathrm V}\).
Bu değerlerde \(M(\ce{H2})=2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ve \(M(\ce{C})=12.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) kullanılmıştır.
Çözüm
Şu değerleri kullanalım: \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}, \qquad T=298.15\ \mathrm K. \]
İlgili moleküler türler moleküler hidrojen, \(\ce{H2}\), [H][H]; moleküler oksijen, \(\ce{O2}\), O=O; su, \(\ce{H2O}\), O; ve karbondioksit, \(\ce{CO2}\), O=C=O şeklindedir. Elementel karbon, uzanımlı kristal örgüsü tek bir moleküler SMILES ile gösterilemeyen grafit olarak alınır.
7.1 — Sıkıştırılmış hidrojenin yoğunluğu
İdeal gaz yasasından, \[ PV=nRT=\frac{m}{M}RT, \] dolayısıyla \[ \rho=\frac{m}{V}=\frac{PM}{RT}. \]
SI birimleriyle yerine koyarsak, \[ \rho= \frac{(80\times10^{6}\ \mathrm{Pa}) (2.016\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (298.15\ \mathrm K)} =\boxed{65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}. \]
Bu, istenen ideal gaz tahminidir.
7.2 — Eşit kütlelerin açığa çıkardığı ısı
Denkleştirilmiş yanma tepkimeleri \[ \ce{H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(l)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-286\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] ve \[ \ce{C(s, graphite) + O2(g) -> CO2(g)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-394\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
Her bir giren, standart hâlindeki bir element olduğundan, tepkime entalpileri ürünlerin verilen oluşum entalpilerine eşittir.
Gram başına açığa çıkan ısının pozitif büyüklükleri şöyledir: \[ q_{\mathrm{hydrogen}} =\frac{286}{2.016} =141.9\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}, \] \[ q_{\mathrm{carbon}} =\frac{394}{12.01} =32.81\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}. \]
Böylece eşit kütleler için, \[ \boxed{ \frac{q_{\mathrm{hydrogen}}}{q_{\mathrm{carbon}}} =\frac{286/2.016}{394/12.01} =4.32 }. \]
7.3(a) — Yakıt hücresi ve elektrik motorundan elde edilen maksimum iş
Sabit sıcaklık ve basınçta, tersinir bir yakıt hücresinin sağladığı maksimum elektriksel iş, Gibbs enerjisindeki azalmaya eşittir: \[ W_{\mathrm{electrical,max}}=-n\Delta_{\mathrm r}G^\circ. \] İdeal bir elektrik motoru bu elektriksel işin tamamını mekanik işe dönüştürür.
Hidrojenin yanma tepkimesi için, \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}S^\circ &=S^\circ(\ce{H2O(l)}) -S^\circ(\ce{H2(g)}) -\frac12S^\circ(\ce{O2(g)})\\ &=70-131-\frac12(205)\\ &=-163.5\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
Verilen \(298\ \mathrm K\) entropi değerlerini \(298.15\ \mathrm K\) sıcaklıkta kullanırsak, \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\Delta_{\mathrm r}H^\circ-T\Delta_{\mathrm r}S^\circ\\ &=-286-(298.15)(-0.1635)\\ &=-237.252\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
\(1\ \mathrm{kg}\) hidrojendeki madde miktarı \[ n=\frac{1000\ \mathrm g}{2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =496.03\ \mathrm{mol}. \]
Dolayısıyla, \[ W_{\max} =(496.03)(237.252)\ \mathrm{kJ} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm J}. \]
7.3(b) — Isı makinesinden elde edilen maksimum iş
Sıcaklıklar kelvin cinsinden ifade edilmelidir: \[ T_{\mathrm{cold}}=298.15\ \mathrm K, \qquad T_{\mathrm{hot}}=573.15\ \mathrm K. \]
Carnot verimi şöyledir: \[ \eta_{\max} =1-\frac{298.15}{573.15} =0.4798. \]
Verilen yanma entalpisi kullanıldığında, \(1\ \mathrm{kg}\) hidrojenden elde edilebilecek ısı \[ Q=n|\Delta_{\mathrm r}H^\circ| =(496.03)(286) =1.41865\times10^5\ \mathrm{kJ}. \]
Soruda belirtilen idealleştirilmiş ısı makinesi modelinde, \[ W_{\max}=\eta_{\max}Q =(0.4798)(1.41865\times10^8\ \mathrm J) =\boxed{6.81\times10^7\ \mathrm J}. \]
7.3 — 1 W güçte çalışma süresi ve akım
Her hidrojen atomunun yükseltgenme basamağı, \(\ce{H2}\) içindeki \(0\) değerinden sudaki \(+1\) değerine değişir. Dolayısıyla bir \(\ce{H2}\) molekülünün yanması, dış devreden iki elektron aktarılmasını sağlar.
Bu nedenle standart hücre gerilimi şu bağıntıdan elde edilir: \[ \Delta_{\mathrm r}G^\circ=-2FE^\circ: \] \[ E^\circ =\frac{237252\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {2(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2295\ \mathrm V. \]
Elektriksel güç \(P=E^\circ I\) olduğundan, \[ I=\frac{1\ \mathrm W}{1.2295\ \mathrm V} =\boxed{0.813\ \mathrm A}. \]
\(1\ \mathrm W=1\ \mathrm{J\,s^{-1}}\) sabit güçte maksimum çalışma süresi \[ t=\frac{W_{\mathrm{electrical,max}}}{P} =\frac{1.17685\times10^8\ \mathrm J} {1\ \mathrm{J\,s^{-1}}} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm s}. \]
Bir yılı \(365.25\) gün alırsak, \[ \boxed{t\approx3.73\ \text{yıl}}. \]
Bunun yerine yuvarlatılmış molar kütleler olan \(M(\ce{H2})=2.00\) ve \(M(\ce{C})=12.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) kullanılırsa, karşılık gelen sonuçlar \(64.5\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(4.36\), \(119\ \mathrm{MJ}\), \(68.6\ \mathrm{MJ}\) ve \(3.76\) yıl olur. Gerilim ve akım değişmez.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2006 · Problema teórico 7
Economía del hidrógeno
El hidrógeno tiene una mayor densidad energética por unidad de masa que el carbono. Por ello, históricamente se ha tendido hacia combustibles con un mayor contenido de hidrógeno: carbón → petróleo → gas natural → hidrógeno. La producción económicamente viable y el almacenamiento seguro del hidrógeno son dos grandes obstáculos para la implantación satisfactoria de una economía del hidrógeno.
7.1 Considere hidrógeno en una botella a 80 MPa y 25 °C. Utilizando la ley de los gases ideales, estime la densidad del hidrógeno en la botella en kg m\(^{-3}\).
7.2 Calcule la relación entre el calor generado al quemar hidrógeno y el calor generado al quemar el mismo peso de carbono. La diferencia se debe en gran medida al hecho de que el isótopo más abundante del hidrógeno no tiene ningún neutrón y el hidrógeno no tiene ninguna capa electrónica interna. \(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{H2O(l)}] = -286\ \mathrm{kJ/mol}\), \(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{CO2(g)}] = -394\ \mathrm{kJ/mol}\).
7.3 Calcule el trabajo máximo teórico producido por la combustión de 1 kg de hidrógeno (a) mediante un motor eléctrico que utiliza una pila de combustible de hidrógeno y (b) mediante una máquina térmica que funciona entre 25 °C y 300 °C. El rendimiento (trabajo realizado/calor absorbido) de una máquina térmica ideal que funciona entre \(T_{\mathrm{cold}}\) y \(T_{\mathrm{hot}}\) viene dado por \([1-T_{\mathrm{cold}}/T_{\mathrm{hot}}]\).
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2(g)}]=131\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{O2(g)}]=205\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2O(l)}]=70\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
Si la pila de combustible funciona a 1 W y con la diferencia de potencial estándar, ¿durante cuánto tiempo funcionará el motor eléctrico y con qué intensidad de corriente?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 7.1: \(\boxed{\rho\approx65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}\), utilizando la ley de los gases ideales.
- 7.2: \(\boxed{q_{\mathrm{hydrogen}}/q_{\mathrm{carbon}}\approx4.32}\) para masas iguales de combustible.
- 7.3(a): \(\boxed{W_{\max}\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm J=118\ \mathrm{MJ}}\).
- 7.3(b): \(\boxed{W_{\max}\approx6.81\times10^{7}\ \mathrm J=68.1\ \mathrm{MJ}}\).
- 7.3, funcionamiento a 1 W: \(\boxed{t\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm s\approx3.73\ \text{años}}\), con \(\boxed{I\approx0.813\ \mathrm A}\), y una tensión estándar de la pila de \(\boxed{E^\circ\approx1.23\ \mathrm V}\).
Estos valores utilizan \(M(\ce{H2})=2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) y \(M(\ce{C})=12.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Solución
Utilizamos \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}, \qquad T=298.15\ \mathrm K. \]
Las especies moleculares implicadas son el hidrógeno molecular, \(\ce{H2}\), [H][H]; el oxígeno molecular, \(\ce{O2}\), O=O; el agua, \(\ce{H2O}\), O; y el dióxido de carbono, \(\ce{CO2}\), O=C=O. Se considera el carbono elemental en forma de grafito, cuya red extendida no tiene una representación SMILES molecular única.
7.1 — Densidad del hidrógeno comprimido
De la ley de los gases ideales, \[ PV=nRT=\frac{m}{M}RT, \] por lo que \[ \rho=\frac{m}{V}=\frac{PM}{RT}. \]
Sustituyendo en unidades del SI, \[ \rho= \frac{(80\times10^{6}\ \mathrm{Pa}) (2.016\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (298.15\ \mathrm K)} =\boxed{65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}. \]
Esta es la estimación solicitada basada en el modelo de gas ideal.
7.2 — Calor liberado por masas iguales
Las reacciones de combustión ajustadas son \[ \ce{H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(l)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-286\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] y \[ \ce{C(s, graphite) + O2(g) -> CO2(g)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-394\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
Las entalpías de reacción son iguales a las entalpías de formación de los productos proporcionadas, porque cada reactivo es un elemento en su estado estándar.
Los valores absolutos del calor liberado por gramo son \[ q_{\mathrm{hydrogen}} =\frac{286}{2.016} =141.9\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}, \] \[ q_{\mathrm{carbon}} =\frac{394}{12.01} =32.81\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}. \]
Por tanto, para masas iguales, \[ \boxed{ \frac{q_{\mathrm{hydrogen}}}{q_{\mathrm{carbon}}} =\frac{286/2.016}{394/12.01} =4.32 }. \]
7.3(a) — Trabajo máximo de la pila de combustible y el motor eléctrico
A temperatura y presión constantes, el trabajo eléctrico máximo suministrado por una pila de combustible reversible es la disminución de la energía de Gibbs: \[ W_{\mathrm{electrical,max}}=-n\Delta_{\mathrm r}G^\circ. \] Un motor eléctrico ideal convierte todo este trabajo eléctrico en trabajo mecánico.
Para la reacción de combustión del hidrógeno, \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}S^\circ &=S^\circ(\ce{H2O(l)}) -S^\circ(\ce{H2(g)}) -\frac12S^\circ(\ce{O2(g)})\\ &=70-131-\frac12(205)\\ &=-163.5\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
Utilizando los valores de entropía proporcionados para \(298\ \mathrm K\) a \(298.15\ \mathrm K\), \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\Delta_{\mathrm r}H^\circ-T\Delta_{\mathrm r}S^\circ\\ &=-286-(298.15)(-0.1635)\\ &=-237.252\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
La cantidad de sustancia de hidrógeno en \(1\ \mathrm{kg}\) es \[ n=\frac{1000\ \mathrm g}{2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =496.03\ \mathrm{mol}. \]
Por consiguiente, \[ W_{\max} =(496.03)(237.252)\ \mathrm{kJ} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm J}. \]
7.3(b) — Trabajo máximo de la máquina térmica
Las temperaturas deben expresarse en kelvin: \[ T_{\mathrm{cold}}=298.15\ \mathrm K, \qquad T_{\mathrm{hot}}=573.15\ \mathrm K. \]
El rendimiento de Carnot es \[ \eta_{\max} =1-\frac{298.15}{573.15} =0.4798. \]
Utilizando la entalpía de combustión proporcionada, el calor disponible a partir de \(1\ \mathrm{kg}\) de hidrógeno es \[ Q=n|\Delta_{\mathrm r}H^\circ| =(496.03)(286) =1.41865\times10^5\ \mathrm{kJ}. \]
En el modelo idealizado de máquina térmica especificado en el problema, \[ W_{\max}=\eta_{\max}Q =(0.4798)(1.41865\times10^8\ \mathrm J) =\boxed{6.81\times10^7\ \mathrm J}. \]
7.3 — Tiempo de funcionamiento e intensidad de corriente a 1 W
Cada átomo de hidrógeno cambia su estado de oxidación de \(0\) en \(\ce{H2}\) a \(+1\) en el agua. En consecuencia, la combustión de una molécula de \(\ce{H2}\) transfiere dos electrones a través del circuito externo.
Por tanto, la tensión estándar de la pila se obtiene a partir de \[ \Delta_{\mathrm r}G^\circ=-2FE^\circ: \] \[ E^\circ =\frac{237252\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {2(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2295\ \mathrm V. \]
Como la potencia eléctrica es \(P=E^\circ I\), \[ I=\frac{1\ \mathrm W}{1.2295\ \mathrm V} =\boxed{0.813\ \mathrm A}. \]
A una potencia constante de \(1\ \mathrm W=1\ \mathrm{J\,s^{-1}}\), el tiempo máximo de funcionamiento es \[ t=\frac{W_{\mathrm{electrical,max}}}{P} =\frac{1.17685\times10^8\ \mathrm J} {1\ \mathrm{J\,s^{-1}}} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm s}. \]
Utilizando \(365.25\) días por año, \[ \boxed{t\approx3.73\ \text{años}}. \]
Si, en su lugar, se utilizan las masas molares redondeadas \(M(\ce{H2})=2.00\) y \(M(\ce{C})=12.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), los resultados correspondientes son \(64.5\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(4.36\), \(119\ \mathrm{MJ}\), \(68.6\ \mathrm{MJ}\) y \(3.76\) años. La tensión y la intensidad de corriente no cambian.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2006 · 理论题 7
氢经济
按质量计,氢的能量密度高于碳。因此,从历史上看,燃料一直向含氢量更高的方向发展:煤 → 石油 → 天然气 → 氢。以经济可行的方式制氢和安全储氢是成功实现氢经济的两大障碍。
7.1 考虑一个气瓶中压力为 80 MPa、温度为 25 °C 的氢气。利用理想气体状态方程,估算瓶内氢气的密度,以 kg m\(^{-3}\) 为单位。
7.2 计算氢燃烧产生的热量与相同质量的碳燃烧产生的热量之比。这一差异在很大程度上源于以下事实:氢最丰富的同位素不含中子,且氢没有内层电子壳层。\(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{H2O(l)}] = -286\ \mathrm{kJ/mol}\),\(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{CO2(g)}] = -394\ \mathrm{kJ/mol}\)。
7.3 计算燃烧 1 kg 氢气时,(a) 由使用氢燃料电池的电动机以及 (b) 由在 25 °C 和 300 °C 之间工作的热机所能产生的理论最大功。在 \(T_{\mathrm{cold}}\) 和 \(T_{\mathrm{hot}}\) 之间工作的理想热机的效率(所做的功/吸收的热量)为 \([1-T_{\mathrm{cold}}/T_{\mathrm{hot}}]\)。
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2(g)}]=131\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{O2(g)}]=205\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2O(l)}]=70\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
如果燃料电池以 1 W 的功率在标准电势差下工作,电动机能够运行多长时间,电流为多少?
题目译自官方英文原文。
答案
- 7.1: \(\boxed{\rho\approx65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}\),由理想气体状态方程求得。
- 7.2: 对于相同质量的燃料,\(\boxed{q_{\mathrm{hydrogen}}/q_{\mathrm{carbon}}\approx4.32}\)。
- 7.3(a): \(\boxed{W_{\max}\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm J=118\ \mathrm{MJ}}\)。
- 7.3(b): \(\boxed{W_{\max}\approx6.81\times10^{7}\ \mathrm J=68.1\ \mathrm{MJ}}\)。
- 7.3,以 1 W 的功率运行: \(\boxed{t\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm s\approx3.73\ \text{年}}\),电流为 \(\boxed{I\approx0.813\ \mathrm A}\),标准电池电压为 \(\boxed{E^\circ\approx1.23\ \mathrm V}\)。
这些数值采用 \(M(\ce{H2})=2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) 和 \(M(\ce{C})=12.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) 计算。
解答
取 \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}, \qquad T=298.15\ \mathrm K. \]
涉及的分子物种为氢分子,\(\ce{H2}\),[H][H];氧分子,\(\ce{O2}\),O=O;水,\(\ce{H2O}\),O;以及二氧化碳,\(\ce{CO2}\),O=C=O。碳单质取为石墨,其延展晶格无法用单个分子的 SMILES 表示。
7.1 — 压缩氢气的密度
由理想气体状态方程, \[ PV=nRT=\frac{m}{M}RT, \] 因此 \[ \rho=\frac{m}{V}=\frac{PM}{RT}. \]
以国际单位制单位代入, \[ \rho= \frac{(80\times10^{6}\ \mathrm{Pa}) (2.016\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (298.15\ \mathrm K)} =\boxed{65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}. \]
这就是题目所要求的理想气体近似下的估算值。
7.2 — 相同质量的燃料释放的热量
配平后的燃烧反应为 \[ \ce{H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(l)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-286\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] 以及 \[ \ce{C(s, graphite) + O2(g) -> CO2(g)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-394\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
由于各反应物均为处于标准态的单质,反应焓等于所给的产物生成焓。
每克燃料释放的热量大小(取正值)为 \[ q_{\mathrm{hydrogen}} =\frac{286}{2.016} =141.9\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}, \] \[ q_{\mathrm{carbon}} =\frac{394}{12.01} =32.81\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}. \]
因此,对于相同质量, \[ \boxed{ \frac{q_{\mathrm{hydrogen}}}{q_{\mathrm{carbon}}} =\frac{286/2.016}{394/12.01} =4.32 }. \]
7.3(a) — 燃料电池和电动机所能提供的最大功
在恒温恒压条件下,可逆燃料电池输出的最大电功等于吉布斯能的减少量: \[ W_{\mathrm{electrical,max}}=-n\Delta_{\mathrm r}G^\circ. \] 理想电动机将这些电功全部转化为机械功。
对于氢的燃烧反应, \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}S^\circ &=S^\circ(\ce{H2O(l)}) -S^\circ(\ce{H2(g)}) -\frac12S^\circ(\ce{O2(g)})\\ &=70-131-\frac12(205)\\ &=-163.5\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
将所给的 \(298\ \mathrm K\) 时的熵值用于 \(298.15\ \mathrm K\), \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\Delta_{\mathrm r}H^\circ-T\Delta_{\mathrm r}S^\circ\\ &=-286-(298.15)(-0.1635)\\ &=-237.252\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
\(1\ \mathrm{kg}\) 氢气的物质的量为 \[ n=\frac{1000\ \mathrm g}{2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =496.03\ \mathrm{mol}. \]
因此, \[ W_{\max} =(496.03)(237.252)\ \mathrm{kJ} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm J}. \]
7.3(b) — 热机所能提供的最大功
温度必须以开尔文表示: \[ T_{\mathrm{cold}}=298.15\ \mathrm K, \qquad T_{\mathrm{hot}}=573.15\ \mathrm K. \]
卡诺效率为 \[ \eta_{\max} =1-\frac{298.15}{573.15} =0.4798. \]
使用所给的燃烧焓,\(1\ \mathrm{kg}\) 氢气可提供的热量为 \[ Q=n|\Delta_{\mathrm r}H^\circ| =(496.03)(286) =1.41865\times10^5\ \mathrm{kJ}. \]
在题目指定的理想化热机模型中, \[ W_{\max}=\eta_{\max}Q =(0.4798)(1.41865\times10^8\ \mathrm J) =\boxed{6.81\times10^7\ \mathrm J}. \]
7.3 — 1 W 功率下的运行时间和电流
每个氢原子的氧化态由 \(0\)(在 \(\ce{H2}\) 中)变为 \(+1\)(在水中)。因此,每燃烧一个 \(\ce{H2}\) 分子,就有两个电子通过外电路转移。
因此,标准电池电压可由下式求得: \[ \Delta_{\mathrm r}G^\circ=-2FE^\circ: \] \[ E^\circ =\frac{237252\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {2(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2295\ \mathrm V. \]
由于电功率为 \(P=E^\circ I\), \[ I=\frac{1\ \mathrm W}{1.2295\ \mathrm V} =\boxed{0.813\ \mathrm A}. \]
在恒定功率 \(1\ \mathrm W=1\ \mathrm{J\,s^{-1}}\) 下,最长运行时间为 \[ t=\frac{W_{\mathrm{electrical,max}}}{P} =\frac{1.17685\times10^8\ \mathrm J} {1\ \mathrm{J\,s^{-1}}} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm s}. \]
按每年 \(365.25\) 天计算, \[ \boxed{t\approx3.73\ \text{年}}. \]
如果改用取整后的摩尔质量 \(M(\ce{H2})=2.00\) 和 \(M(\ce{C})=12.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),则相应结果为 \(64.5\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\)、\(4.36\)、\(119\ \mathrm{MJ}\)、\(68.6\ \mathrm{MJ}\) 和 \(3.76\) 年。电压和电流不变。
解答已与官方解答核对。
IChO 2006 · Теоретическая задача 7
Водородная энергетика
По отношению к массе водород обладает большей энергоёмкостью, чем углерод. Поэтому исторически происходил переход к топливу с более высоким содержанием водорода: уголь → нефть → природный газ → водород. Экономически эффективное получение и безопасное хранение водорода — два основных препятствия на пути к успешному становлению водородной энергетики.
7.1 Рассмотрите водород в баллоне под давлением 80 МПа при 25 °C. Используя уравнение состояния идеального газа, оцените плотность водорода в баллоне в кг м\(^{-3}\).
7.2 Рассчитайте отношение количества теплоты, выделяющейся при сгорании водорода, к количеству теплоты, выделяющейся при сгорании такой же массы углерода. Различие в значительной степени обусловлено тем, что наиболее распространённый изотоп водорода не содержит нейтронов, а атом водорода не имеет внутренней электронной оболочки. \(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{H2O(l)}] = -286\ \mathrm{kJ/mol}\), \(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{CO2(g)}] = -394\ \mathrm{kJ/mol}\).
7.3 Рассчитайте теоретически максимальную работу, которую можно получить при сгорании 1 кг водорода (a) с помощью электродвигателя, питаемого водородным топливным элементом, и (b) с помощью теплового двигателя, работающего между температурами 25 °C и 300 °C. КПД (отношение совершённой работы к поглощённой теплоте) идеального теплового двигателя, работающего между температурами \(T_{\mathrm{cold}}\) и \(T_{\mathrm{hot}}\), определяется выражением \([1-T_{\mathrm{cold}}/T_{\mathrm{hot}}]\).
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2(g)}]=131\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{O2(g)}]=205\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2O(l)}]=70\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
Если топливный элемент работает при мощности 1 Вт и стандартной разности потенциалов, как долго будет работать электродвигатель и при какой силе тока?
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 7.1: \(\boxed{\rho\approx65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}\), согласно уравнению состояния идеального газа.
- 7.2: \(\boxed{q_{\mathrm{hydrogen}}/q_{\mathrm{carbon}}\approx4.32}\) для одинаковых масс топлива.
- 7.3(a): \(\boxed{W_{\max}\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm J=118\ \mathrm{MJ}}\).
- 7.3(b): \(\boxed{W_{\max}\approx6.81\times10^{7}\ \mathrm J=68.1\ \mathrm{MJ}}\).
- 7.3, работа при мощности 1 Вт: \(\boxed{t\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm s\approx3.73\ \text{года}}\), при \(\boxed{I\approx0.813\ \mathrm A}\) и стандартном напряжении элемента \(\boxed{E^\circ\approx1.23\ \mathrm V}\).
Эти значения получены при использовании \(M(\ce{H2})=2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) и \(M(\ce{C})=12.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Решение
Используем \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}, \qquad T=298.15\ \mathrm K. \]
Рассматриваемые молекулярные вещества — молекулярный водород, \(\ce{H2}\), [H][H]; молекулярный кислород, \(\ce{O2}\), O=O; вода, \(\ce{H2O}\), O; и диоксид углерода, \(\ce{CO2}\), O=C=O. Углерод как простое вещество принимается в форме графита, протяжённую решётку которого нельзя представить одной молекулярной строкой SMILES.
7.1 — Плотность сжатого водорода
Из уравнения состояния идеального газа \[ PV=nRT=\frac{m}{M}RT, \] следует \[ \rho=\frac{m}{V}=\frac{PM}{RT}. \]
Подставляя значения в единицах СИ, получаем \[ \rho= \frac{(80\times10^{6}\ \mathrm{Pa}) (2.016\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (298.15\ \mathrm K)} =\boxed{65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}. \]
Это и есть требуемая оценка в приближении идеального газа.
7.2 — Теплота, выделяющаяся при сгорании одинаковых масс
Уравнения реакций горения с расставленными коэффициентами имеют вид \[ \ce{H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(l)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-286\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] и \[ \ce{C(s, graphite) + O2(g) -> CO2(g)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-394\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
Энтальпии реакций равны приведённым энтальпиям образования продуктов, поскольку каждый реагент представляет собой простое вещество в стандартном состоянии.
Положительные величины теплоты, выделяющейся на грамм, равны \[ q_{\mathrm{hydrogen}} =\frac{286}{2.016} =141.9\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}, \] \[ q_{\mathrm{carbon}} =\frac{394}{12.01} =32.81\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}. \]
Таким образом, для одинаковых масс \[ \boxed{ \frac{q_{\mathrm{hydrogen}}}{q_{\mathrm{carbon}}} =\frac{286/2.016}{394/12.01} =4.32 }. \]
7.3(a) — Максимальная работа топливного элемента и электродвигателя
При постоянных температуре и давлении максимальная электрическая работа, совершаемая обратимо работающим топливным элементом, равна убыли энергии Гиббса: \[ W_{\mathrm{electrical,max}}=-n\Delta_{\mathrm r}G^\circ. \] Идеальный электродвигатель преобразует всю эту электрическую работу в механическую.
Для реакции горения водорода \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}S^\circ &=S^\circ(\ce{H2O(l)}) -S^\circ(\ce{H2(g)}) -\frac12S^\circ(\ce{O2(g)})\\ &=70-131-\frac12(205)\\ &=-163.5\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
Используя приведённые значения энтропии при \(298\ \mathrm K\) для температуры \(298.15\ \mathrm K\), получаем \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\Delta_{\mathrm r}H^\circ-T\Delta_{\mathrm r}S^\circ\\ &=-286-(298.15)(-0.1635)\\ &=-237.252\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Количество вещества водорода в \(1\ \mathrm{kg}\) составляет \[ n=\frac{1000\ \mathrm g}{2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =496.03\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно, \[ W_{\max} =(496.03)(237.252)\ \mathrm{kJ} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm J}. \]
7.3(b) — Максимальная работа теплового двигателя
Температуры необходимо выразить в кельвинах: \[ T_{\mathrm{cold}}=298.15\ \mathrm K, \qquad T_{\mathrm{hot}}=573.15\ \mathrm K. \]
КПД цикла Карно равен \[ \eta_{\max} =1-\frac{298.15}{573.15} =0.4798. \]
С использованием приведённой энтальпии сгорания количество теплоты, которое можно получить из \(1\ \mathrm{kg}\) водорода, составляет \[ Q=n|\Delta_{\mathrm r}H^\circ| =(496.03)(286) =1.41865\times10^5\ \mathrm{kJ}. \]
В идеализированной модели теплового двигателя, заданной в условии, \[ W_{\max}=\eta_{\max}Q =(0.4798)(1.41865\times10^8\ \mathrm J) =\boxed{6.81\times10^7\ \mathrm J}. \]
7.3 — Время работы и сила тока при мощности 1 Вт
Каждый атом водорода изменяет степень окисления с \(0\) в \(\ce{H2}\) до \(+1\) в воде. Следовательно, при сгорании одной молекулы \(\ce{H2}\) по внешней цепи переносятся два электрона.
Таким образом, стандартное напряжение элемента определяется из соотношения \[ \Delta_{\mathrm r}G^\circ=-2FE^\circ: \] \[ E^\circ =\frac{237252\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {2(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2295\ \mathrm V. \]
Поскольку электрическая мощность равна \(P=E^\circ I\), \[ I=\frac{1\ \mathrm W}{1.2295\ \mathrm V} =\boxed{0.813\ \mathrm A}. \]
При постоянной мощности \(1\ \mathrm W=1\ \mathrm{J\,s^{-1}}\) максимальное время работы составляет \[ t=\frac{W_{\mathrm{electrical,max}}}{P} =\frac{1.17685\times10^8\ \mathrm J} {1\ \mathrm{J\,s^{-1}}} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm s}. \]
Принимая продолжительность года равной \(365.25\) суток, получаем \[ \boxed{t\approx3.73\ \text{года}}. \]
Если вместо этого использовать округлённые молярные массы \(M(\ce{H2})=2.00\) и \(M(\ce{C})=12.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), соответствующие результаты составят \(64.5\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(4.36\), \(119\ \mathrm{MJ}\), \(68.6\ \mathrm{MJ}\) и \(3.76\) года. Напряжение и сила тока не изменятся.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2006 · مسألة نظرية 7
اقتصاد الهيدروجين
يمتلك الهيدروجين كثافة طاقة أعلى من الكربون على أساس الكتلة. ولذلك، شهد التاريخ توجّهًا نحو أنواع وقود ذات محتوى أعلى من الهيدروجين: الفحم → النفط → الغاز الطبيعي → الهيدروجين. ويُعدّ إنتاج الهيدروجين بتكلفة مجدية وتخزينه بأمان عقبتين رئيسيتين أمام إرساء اقتصاد الهيدروجين بنجاح.
7.1 اعتبر الهيدروجين في أسطوانة عند ضغط 80 MPa ودرجة حرارة 25 °C. باستخدام قانون الغاز المثالي، قدّر كثافة الهيدروجين في الأسطوانة بوحدة kg m\(^{-3}\).
7.2 احسب النسبة بين الحرارة المتولّدة عند احتراق الهيدروجين والحرارة المتولّدة عند احتراق الوزن نفسه من الكربون. ويُعزى الفرق إلى حدّ كبير إلى أن نظير الهيدروجين الأكثر وفرة لا يحتوي على نيوترون، وأن الهيدروجين ليس له غلاف إلكتروني داخلي. \(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{H2O(l)}] = -286\ \mathrm{kJ/mol}\)، \(\Delta H_{\mathrm f}^{\circ}[\ce{CO2(g)}] = -394\ \mathrm{kJ/mol}\).
7.3 احسب أقصى شغل نظري ينتج عن احتراق 1 kg من الهيدروجين (a) من المحرّك الكهربائي الذي يستخدم خلية وقود هيدروجينية و(b) من المحرّك الحراري الذي يعمل بين درجتي حرارة 25 °C و300 °C. تُعطى كفاءة المحرّك الحراري المثالي (الشغل المبذول/الحرارة الممتصّة) الذي يعمل بين \(T_{\mathrm{cold}}\) و\(T_{\mathrm{hot}}\) بالعلاقة \([1-T_{\mathrm{cold}}/T_{\mathrm{hot}}]\).
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2(g)}]=131\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{O2(g)}]=205\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
\[ S_{298}^{\circ}[\ce{H2O(l)}]=70\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
إذا كانت خلية الوقود تعمل بقدرة 1 W وعند فرق الجهد القياسي، فما مدة تشغيل المحرّك الكهربائي، وما شدّة التيار؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 7.1: \(\boxed{\rho\approx65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}\)، باستخدام قانون الغاز المثالي.
- 7.2: \(\boxed{q_{\mathrm{hydrogen}}/q_{\mathrm{carbon}}\approx4.32}\) لكتلتين متساويتين من الوقود.
- 7.3(a): \(\boxed{W_{\max}\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm J=118\ \mathrm{MJ}}\).
- 7.3(b): \(\boxed{W_{\max}\approx6.81\times10^{7}\ \mathrm J=68.1\ \mathrm{MJ}}\).
- 7.3، التشغيل بقدرة 1 W: \(\boxed{t\approx1.18\times10^{8}\ \mathrm s\approx3.73\ \text{سنة}}\)، عند \(\boxed{I\approx0.813\ \mathrm A}\)، وبجهد خلية قياسي \(\boxed{E^\circ\approx1.23\ \mathrm V}\).
تستخدم هذه القيم \(M(\ce{H2})=2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) و\(M(\ce{C})=12.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
الحل
نستخدم \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}, \qquad T=298.15\ \mathrm K. \]
الأنواع الجزيئية المعنية هي الهيدروجين الجزيئي، \(\ce{H2}\)، [H][H]؛ والأكسجين الجزيئي، \(\ce{O2}\)، O=O؛ والماء، \(\ce{H2O}\)، O؛ وثنائي أكسيد الكربون، \(\ce{CO2}\)، O=C=O. ويُؤخذ الكربون العنصري على هيئة غرافيت، لا يمكن تمثيل شبكته الممتدّة بسلسلة SMILES جزيئية واحدة.
7.1 — كثافة الهيدروجين المضغوط
من قانون الغاز المثالي، \[ PV=nRT=\frac{m}{M}RT, \] ومن ثمّ \[ \rho=\frac{m}{V}=\frac{PM}{RT}. \]
بالتعويض بوحدات النظام الدولي، \[ \rho= \frac{(80\times10^{6}\ \mathrm{Pa}) (2.016\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}})} {(8.314\ \mathrm{Pa\,m^3\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (298.15\ \mathrm K)} =\boxed{65.1\ \mathrm{kg\,m^{-3}}}. \]
هذا هو التقدير المطلوب وفق قانون الغاز المثالي.
7.2 — الحرارة المنطلقة من كتلتين متساويتين
تفاعلا الاحتراق الموزونان هما \[ \ce{H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(l)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-286\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \] و \[ \ce{C(s, graphite) + O2(g) -> CO2(g)}, \qquad \Delta_{\mathrm r}H^\circ=-394\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
تساوي إنثالبيتا التفاعلين إنثالبيتي تكوين الناتجين المعطاتين، لأن كل متفاعل عنصر في حالته القياسية.
المقداران الموجبان للحرارة المنطلقة لكل غرام هما \[ q_{\mathrm{hydrogen}} =\frac{286}{2.016} =141.9\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}, \] \[ q_{\mathrm{carbon}} =\frac{394}{12.01} =32.81\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}. \]
إذن، لكتلتين متساويتين، \[ \boxed{ \frac{q_{\mathrm{hydrogen}}}{q_{\mathrm{carbon}}} =\frac{286/2.016}{394/12.01} =4.32 }. \]
7.3(a) — أقصى شغل من خلية الوقود والمحرّك الكهربائي
عند ثبوت درجة الحرارة والضغط، يساوي أقصى شغل كهربائي تنتجه خلية وقود عكوسة مقدار الانخفاض في طاقة غيبس: \[ W_{\mathrm{electrical,max}}=-n\Delta_{\mathrm r}G^\circ. \] يحوّل المحرّك الكهربائي المثالي هذا الشغل الكهربائي كلّه إلى شغل ميكانيكي.
لتفاعل احتراق الهيدروجين، \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}S^\circ &=S^\circ(\ce{H2O(l)}) -S^\circ(\ce{H2(g)}) -\frac12S^\circ(\ce{O2(g)})\\ &=70-131-\frac12(205)\\ &=-163.5\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
باستخدام قيم الإنتروبيا المعطاة عند \(298\ \mathrm K\) في الحساب عند \(298.15\ \mathrm K\)، \[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\Delta_{\mathrm r}H^\circ-T\Delta_{\mathrm r}S^\circ\\ &=-286-(298.15)(-0.1635)\\ &=-237.252\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
كمية مادة الهيدروجين في \(1\ \mathrm{kg}\) هي \[ n=\frac{1000\ \mathrm g}{2.016\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =496.03\ \mathrm{mol}. \]
وعليه، \[ W_{\max} =(496.03)(237.252)\ \mathrm{kJ} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm J}. \]
7.3(b) — أقصى شغل من المحرّك الحراري
يجب التعبير عن درجات الحرارة بالكلفن: \[ T_{\mathrm{cold}}=298.15\ \mathrm K, \qquad T_{\mathrm{hot}}=573.15\ \mathrm K. \]
كفاءة كارنو هي \[ \eta_{\max} =1-\frac{298.15}{573.15} =0.4798. \]
باستخدام إنثالبية الاحتراق المعطاة، تكون الحرارة المتاحة من \(1\ \mathrm{kg}\) من الهيدروجين \[ Q=n|\Delta_{\mathrm r}H^\circ| =(496.03)(286) =1.41865\times10^5\ \mathrm{kJ}. \]
في النموذج المثالي للمحرّك الحراري المحدّد في المسألة، \[ W_{\max}=\eta_{\max}Q =(0.4798)(1.41865\times10^8\ \mathrm J) =\boxed{6.81\times10^7\ \mathrm J}. \]
7.3 — مدة التشغيل وشدّة التيار عند قدرة 1 W
تتغيّر حالة أكسدة كل ذرة هيدروجين من \(0\) في \(\ce{H2}\) إلى \(+1\) في الماء. وبناءً على ذلك، يؤدّي احتراق جزيء واحد من \(\ce{H2}\) إلى انتقال إلكترونين عبر الدائرة الخارجية.
لذلك يُستنتج جهد الخلية القياسي من \[ \Delta_{\mathrm r}G^\circ=-2FE^\circ: \] \[ E^\circ =\frac{237252\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {2(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2295\ \mathrm V. \]
بما أن القدرة الكهربائية هي \(P=E^\circ I\)، \[ I=\frac{1\ \mathrm W}{1.2295\ \mathrm V} =\boxed{0.813\ \mathrm A}. \]
عند قدرة ثابتة مقدارها \(1\ \mathrm W=1\ \mathrm{J\,s^{-1}}\)، تكون أقصى مدة تشغيل \[ t=\frac{W_{\mathrm{electrical,max}}}{P} =\frac{1.17685\times10^8\ \mathrm J} {1\ \mathrm{J\,s^{-1}}} =\boxed{1.18\times10^8\ \mathrm s}. \]
باعتماد \(365.25\) يومًا في السنة، \[ \boxed{t\approx3.73\ \text{سنة}}. \]
إذا استُخدمت بدلًا من ذلك الكتلتان الموليتان المقرّبتان \(M(\ce{H2})=2.00\) و\(M(\ce{C})=12.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)، فإن النتائج المقابلة هي \(64.5\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\)، و\(4.36\)، و\(119\ \mathrm{MJ}\)، و\(68.6\ \mathrm{MJ}\)، و\(3.76\) سنة. ويبقى الجهد وشدّة التيار دون تغيير.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.