IChO 2017 · Theory problem 1
Production of propene using heterogeneous catalysts
Propene or propylene is one of the most valuable chemicals for the petrochemical industry in Thailand and around the world. One good example of the commercial use of propene is for the production of polypropylene (PP).
Part A.
Propene can be synthesized via a direct dehydrogenation of propane in the presence of a heterogeneous catalyst. However, such a reaction is not economically feasible due to the nature of the reaction itself. Provide a concise explanation to each of the questions below. Additional information: \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C})=1.77H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\), \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})=1.05H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\), and \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})=1.19H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\), where \(H_{\mathrm{bond}}\) refers to average bond enthalpy of the indicated chemical bond.
1.1 What is the enthalpy change of the direct dehydrogenation of propane? Show your calculation and express your answer in terms of \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\).
1.2 It is difficult to increase the amount of propene by increasing pressure at constant temperature. Which law or principle can best explain this phenomenon? Select your answer by marking “✓” in one of the open circles.
- ☐ Boyle’s law
- ☐ Charles’ law
- ☐ Dalton’s law
- ☐ Raoult’s law
- ☐ Le Chatelier’s principle
1.3 Initially, the system is in equilibrium. Consistent with question 1.1, what is/are correct set(s) of signs for the following thermodynamic variables of the system for the direct dehydrogenation of propane? Select your answer(s) by marking „✓” in any of the open square(s).
| \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) | \(T^{*}\) | |
|---|---|---|---|---|
| ☐ | − | + | + | lower |
| ☐ | − | + | − | higher |
| ☐ | − | − | + | lower |
| ☐ | − | − | − | higher |
| ☐ | + | + | + | lower |
| ☐ | + | + | − | higher |
| ☐ | + | − | + | lower |
| ☐ | + | − | − | higher |
☐ None of the above is correct
\(^*\) Relative to the initial temperature at the same partial pressure.
Part B.
A better reaction to produce large quantity of propene is the oxidative dehydrogenation (ODH) using solid catalysts, such as vanadium oxides, under molecular oxygen gas. Although this type of reaction is still under intense research development, its promise toward the production of propene at an industrial scale eclipses that of the direct dehydrogenation.
1.4 The overall rate of propane consumption in the reaction is
\[ r_{\ce{C3H6}} = \frac{1}{ \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H6}}} + \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} } \]
where \(k_{\mathrm{red}}\) and \(k_{\mathrm{ox}}\) are the rate constants for the reduction of metal oxide catalyst by propane and for the oxidation of the catalyst by molecular oxygen, respectively, and \(p^{o}\) is the standard pressure of 1 bar. Some experiments found that the rate of oxidation of the catalyst is 100,000 times faster than that of the propane oxidation. The experimental
\[ r_{\ce{C3H8}} = k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H6}}}{p^{0}} \]
where \(k_{\mathrm{obs}}\) is the observed rate constant (\(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\)). If the reactor containing the catalyst is continuously passed through with propane and oxygen at a total pressure of 1 bar, determine the value of \(k_{\mathrm{red}}\) and \(k_{\mathrm{ox}}\) when the partial pressure of propane is 0.10 bar. Assume that the partial pressure of propene is negligible.
Part C.
The metal oxide catalyst contains oxygen atoms on its surface that serve as active sites for the ODH. Denoting red* as a reduced site and \(\ce{O(s)}\) as an oxygen atom on the surface of the catalyst, one of the proposed mechanisms for the ODH in the presence of the catalyst can be written as follows:

Given
\[ \beta= \frac{\text{number of reduced sites}} {\text{total number of active sites}} \]
The rate laws for the above 3 steps are:
\[ r_1=k_1p_{\ce{C2H8}}(1-\beta) \]
\[ r_2=k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta) \]
and
\[ r_3=k_3p_{\ce{O2}}\beta \]
1.5 Assuming that the amount of oxygen atoms on the surface stays constant at any time of reaction, calculate \(\beta\) as a function of
\[ k_1,\ k_2,\ k_3,\ p_{\ce{C2H8}},\ p_{\ce{C3H6}},\ \text{and }p_{\ce{O2}}. \]
Official English text of the problem.
Answers
- 1.1: \(\boxed{\Delta H\approx+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}\). The reaction is endothermic.
- 1.2: Check Le Chatelier’s principle.
- 1.3: Check the fifth and sixth rows: \((+,+,+,\text{lower})\) and \((+,+,-,\text{higher})\), in the order \((\Delta H,\Delta S,\Delta G,T^*)\).
- 1.4: \(\boxed{k_{\mathrm{red}}\approx0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\) and \(\boxed{k_{\mathrm{ox}}\approx6.9\times10^{2}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\).
- 1.5: Using the corrected propane subscript, \[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
Solution
The molecular species used below are propane CCC, propene C=CC, hydrogen [H][H], molecular oxygen O=O, water O, and carbon dioxide O=C=O. The adsorbed oxygen atoms and reduced catalyst sites belong to an unspecified solid surface, so their surface bonding has no uniquely defined molecular SMILES.
1.1 — Enthalpy of direct dehydrogenation
The balanced reaction is
\[ \ce{C3H8(g) -> C3H6(g) + H2(g)}. \]
Propane contains two carbon–carbon single bonds and eight carbon–hydrogen bonds. The products contain one carbon–carbon single bond, one carbon–carbon double bond, six carbon–hydrogen bonds, and one hydrogen–hydrogen bond.
Using average bond enthalpies,
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx \left[2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +8H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\right]\\ &\quad- \left[H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) +6H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})\right]\\ &= H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H}). \end{aligned} \]
Let \(D=H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\). The supplied ratios give
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx[1+2(1.19)-1.77-1.05(1.19)]D\\ &=0.3605D\\ &\approx\boxed{+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}. \end{aligned} \]
The result has the same molar-energy units as the bond enthalpy. Its positive sign identifies an endothermic reaction.
1.2 — Effect of pressure
The forward reaction increases the number of gas molecules from one to two:
\[ \ce{C3H8(g) <=> C3H6(g) + H2(g)}. \]
According to Le Chatelier’s principle, increasing pressure by compression at constant temperature favors the side with fewer gas molecules. The equilibrium therefore shifts toward propane, reducing the equilibrium amount of propene.
Check Le Chatelier’s principle.
1.3 — Thermodynamic signs after changing temperature
From 1.1,
\[ \Delta H>0. \]
At the initial equilibrium temperature \(T_0\),
\[ \Delta G(T_0)=\Delta H-T_0\Delta S=0. \]
Consequently,
\[ \Delta S(T_0)=\frac{\Delta H}{T_0}>0, \]
consistent with the increase in the number of gaseous molecules.
At fixed partial pressures,
\[ \left(\frac{\partial\Delta G}{\partial T}\right)_{\{p_i\}} =-\Delta S<0. \]
Thus, changing the temperature from the initial equilibrium gives:
| Temperature change | \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) |
|---|---|---|---|
| Lower temperature | + | + | + |
| Higher temperature | + | + | − |
Check the fifth and sixth rows. These signs describe the temperature perturbation at the specified partial pressures. Once the composition reaches its new equilibrium, the reaction Gibbs energy is again zero.
1.4 — Reduction and oxidation rate constants
The balanced overall oxidative dehydrogenation is
\[ \ce{2 C3H8(g) + O2(g) -> 2 C3H6(g) + 2 H2O(g)}. \]
The kinetic expressions must use the propane partial pressure, \(p_{\ce{C3H8}}\), wherever they describe propane consumption.
For the stated propane–oxygen mixture with negligible products,
\[ p_{\ce{O2}}=1.00-0.10=0.90\ \mathrm{bar}. \]
The experimental consumption rate is
\[ r=k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0} =(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}) \frac{0.10\ \mathrm{bar}}{1\ \mathrm{bar}} =6.2\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}. \]
Define the two pressure-weighted kinetic terms
\[ a=k_{\mathrm{red}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}, \qquad b=k_{\mathrm{ox}}\frac{p_{\ce{O2}}}{p^0}. \]
Then the given rate expression becomes
\[ r=\frac{1}{1/a+1/b}=\frac{ab}{a+b}. \]
Interpreting the stated speed comparison as \(b=10^5a\),
\[ r=\frac{a}{1+10^{-5}} =\frac{k_{\mathrm{red}}}{1+10^{-5}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}. \]
Comparison with the experimental expression gives
\[ k_{\mathrm{red}} =k_{\mathrm{obs}}(1+10^{-5}) \approx\boxed{0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \]
The oxidation constant follows from the same rate comparison:
\[ \frac{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} {k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H8}}}=10^5, \]
so
\[ \begin{aligned} k_{\mathrm{ox}} &=10^5k_{\mathrm{red}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p_{\ce{O2}}}\\ &=10^5(0.06200062) \frac{0.10}{0.90}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\\ &\approx\boxed{6.9\times10^2\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \end{aligned} \]
Both constants have units of \(\mathrm{mol\,s^{-1}}\), because the pressure factors in these expressions are dimensionless.
1.5 — Steady-state fraction of reduced sites
The three supplied reactions are
\[ \ce{C3H8(g) + O(s) ->[k_1] C3H6(g) + H2O(g) + red^{*}} \qquad (1) \]
\[ \ce{C3H6(g) + 9 O(s) ->[k_2] 3 CO2(g) + 3 H2O(g) + 9 red^{*}} \qquad (2) \]
\[ \ce{O2(g) + 2 red^{*} ->[k_3] 2 O(s)} \qquad (3) \]
Here \(\ce{O(s)}\) denotes an oxygen atom on the catalyst surface, as defined in the question.
Each occurrence of step 1 consumes one surface oxygen atom; step 2 consumes nine; step 3 supplies two. Constancy of the surface oxygen population therefore requires
\[ 2r_3-r_1-9r_2=0. \]
Using the supplied rate laws, with the propane subscript corrected,
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = k_1p_{\ce{C3H8}}(1-\beta) +9k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta). \]
Factor the right-hand side:
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = \left(k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}\right)(1-\beta). \]
Solving for \(\beta\),
\[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
The factors 9 and 2 arise from the oxygen-atom balance. The pressure and coverage exponents remain those explicitly supplied in the question.
The solution was checked against the official solution.
IChO 2017 · Theorieaufgabe 1
Herstellung von Propen mithilfe heterogener Katalysatoren
Propen oder Propylen ist eine der wertvollsten Chemikalien für die petrochemische Industrie in Thailand und weltweit. Ein gutes Beispiel für die kommerzielle Verwendung von Propen ist die Herstellung von Polypropylen (PP).
Teil A.
Propen kann durch direkte Dehydrierung von Propan in Gegenwart eines heterogenen Katalysators synthetisiert werden. Eine solche Reaktion ist jedoch aufgrund ihrer Eigenschaften wirtschaftlich nicht rentabel. Geben Sie zu jeder der folgenden Fragen eine kurze Erklärung. Zusätzliche Angaben: \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C})=1.77H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\), \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})=1.05H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\) und \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})=1.19H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\), wobei \(H_{\mathrm{bond}}\) die mittlere Bindungsenthalpie der angegebenen chemischen Bindung bezeichnet.
1.1 Wie groß ist die Enthalpieänderung bei der direkten Dehydrierung von Propan? Zeigen Sie Ihre Berechnung und geben Sie Ihre Antwort in Abhängigkeit von \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\) an.
1.2 Es ist schwierig, die Menge an Propen durch eine Druckerhöhung bei konstanter Temperatur zu erhöhen. Welches Gesetz oder Prinzip erklärt dieses Phänomen am besten? Wählen Sie Ihre Antwort, indem Sie „✓“ in einen der leeren Kreise eintragen.
- ☐ Boyle-Mariotte-Gesetz
- ☐ Gesetz von Charles
- ☐ Daltonsches Gesetz
- ☐ Raoultsches Gesetz
- ☐ Prinzip von Le Chatelier
1.3 Zu Beginn befindet sich das System im Gleichgewicht. Welche Vorzeichenkombination(en) für die folgenden thermodynamischen Größen des Systems bei der direkten Dehydrierung von Propan ist/sind in Übereinstimmung mit Frage 1.1 korrekt? Wählen Sie Ihre Antwort(en), indem Sie „✓“ in die entsprechenden leeren Kästchen eintragen.
| \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) | \(T^{*}\) | |
|---|---|---|---|---|
| ☐ | − | + | + | niedriger |
| ☐ | − | + | − | höher |
| ☐ | − | − | + | niedriger |
| ☐ | − | − | − | höher |
| ☐ | + | + | + | niedriger |
| ☐ | + | + | − | höher |
| ☐ | + | − | + | niedriger |
| ☐ | + | − | − | höher |
☐ Keine der obigen Angaben ist korrekt
\(^*\) Bezogen auf die Anfangstemperatur bei gleichem Partialdruck.
Teil B.
Eine besser geeignete Reaktion zur Herstellung großer Mengen Propen ist die oxidative Dehydrierung (ODH) unter Verwendung fester Katalysatoren, beispielsweise Vanadiumoxide, in einer Atmosphäre aus molekularem Sauerstoff. Obwohl dieser Reaktionstyp noch intensiv erforscht und entwickelt wird, übertrifft sein Potenzial für die Herstellung von Propen im industriellen Maßstab das der direkten Dehydrierung.
1.4 Die Gesamtgeschwindigkeit des Propanverbrauchs bei der Reaktion beträgt
\[ r_{\ce{C3H6}} = \frac{1}{ \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H6}}} + \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} } \]
wobei \(k_{\mathrm{red}}\) und \(k_{\mathrm{ox}}\) die Geschwindigkeitskonstanten für die Reduktion des Metalloxidkatalysators durch Propan bzw. für die Oxidation des Katalysators durch molekularen Sauerstoff sind und \(p^{o}\) der Standarddruck von 1 bar ist. In einigen Experimenten wurde festgestellt, dass die Oxidation des Katalysators 100.000-mal schneller abläuft als die Oxidation von Propan. Experimentell gilt
\[ r_{\ce{C3H8}} = k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H6}}}{p^{0}} \]
wobei \(k_{\mathrm{obs}}\) die beobachtete Geschwindigkeitskonstante (\(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\)) ist. Wenn der Reaktor, der den Katalysator enthält, bei einem Gesamtdruck von 1 bar kontinuierlich von Propan und Sauerstoff durchströmt wird, bestimmen Sie die Werte von \(k_{\mathrm{red}}\) und \(k_{\mathrm{ox}}\), wenn der Partialdruck von Propan 0.10 bar beträgt. Nehmen Sie an, dass der Partialdruck von Propen vernachlässigbar ist.
Teil C.
Der Metalloxidkatalysator enthält auf seiner Oberfläche Sauerstoffatome, die als aktive Zentren für die ODH dienen. Bezeichnet man ein reduziertes Zentrum mit red* und ein Sauerstoffatom auf der Katalysatoroberfläche mit \(\ce{O(s)}\), so lässt sich einer der vorgeschlagenen Mechanismen für die ODH in Gegenwart des Katalysators wie folgt schreiben:

Gegeben ist
\[ \beta= \frac{\text{Anzahl der reduzierten Zentren}} {\text{Gesamtzahl der aktiven Zentren}} \]
Die Geschwindigkeitsgesetze für die obigen 3 Schritte lauten:
\[ r_1=k_1p_{\ce{C2H8}}(1-\beta) \]
\[ r_2=k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta) \]
und
\[ r_3=k_3p_{\ce{O2}}\beta \]
1.5 Berechnen Sie unter der Annahme, dass die Anzahl der Sauerstoffatome auf der Oberfläche zu jedem Zeitpunkt der Reaktion konstant bleibt, \(\beta\) als Funktion von
\[ k_1,\ k_2,\ k_3,\ p_{\ce{C2H8}},\ p_{\ce{C3H6}},\ \text{und }p_{\ce{O2}}. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 1.1: \(\boxed{\Delta H\approx+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}\). Die Reaktion ist endotherm.
- 1.2: Kreuzen Sie Prinzip von Le Chatelier an.
- 1.3: Kreuzen Sie die fünfte und sechste Zeile an: \((+,+,+,\text{niedriger})\) und \((+,+,-,\text{höher})\), in der Reihenfolge \((\Delta H,\Delta S,\Delta G,T^*)\).
- 1.4: \(\boxed{k_{\mathrm{red}}\approx0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\) und \(\boxed{k_{\mathrm{ox}}\approx6.9\times10^{2}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\).
- 1.5: Mit dem korrigierten Index für Propan: \[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
Lösung
Die im Folgenden verwendeten molekularen Spezies sind Propan CCC, Propen C=CC, Wasserstoff [H][H], molekularer Sauerstoff O=O, Wasser O und Kohlenstoffdioxid O=C=O. Die adsorbierten Sauerstoffatome und die reduzierten Katalysatorzentren gehören zu einer nicht näher spezifizierten Festkörperoberfläche, sodass für ihre Bindung an die Oberfläche keine eindeutig definierte molekulare SMILES-Darstellung existiert.
1.1 — Enthalpie der direkten Dehydrierung
Die ausgeglichene Reaktionsgleichung lautet
\[ \ce{C3H8(g) -> C3H6(g) + H2(g)}. \]
Propan enthält zwei Kohlenstoff–Kohlenstoff-Einfachbindungen und acht Kohlenstoff–Wasserstoff-Bindungen. Die Produkte enthalten eine Kohlenstoff–Kohlenstoff-Einfachbindung, eine Kohlenstoff–Kohlenstoff-Doppelbindung, sechs Kohlenstoff–Wasserstoff-Bindungen und eine Wasserstoff–Wasserstoff-Bindung.
Mit mittleren Bindungsenthalpien ergibt sich
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx \left[2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +8H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\right]\\ &\quad- \left[H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) +6H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})\right]\\ &= H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H}). \end{aligned} \]
Sei \(D=H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\). Aus den angegebenen Verhältnissen folgt
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx[1+2(1.19)-1.77-1.05(1.19)]D\\ &=0.3605D\\ &\approx\boxed{+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}. \end{aligned} \]
Das Ergebnis hat dieselbe Einheit einer molaren Energie wie die Bindungsenthalpie. Sein positives Vorzeichen kennzeichnet eine endotherme Reaktion.
1.2 — Einfluss des Drucks
Bei der Hinreaktion steigt die Anzahl der Gasmoleküle von eins auf zwei:
\[ \ce{C3H8(g) <=> C3H6(g) + H2(g)}. \]
Nach dem Prinzip von Le Chatelier begünstigt eine Druckerhöhung durch Kompression bei konstanter Temperatur die Seite mit weniger Gasmolekülen. Das Gleichgewicht verschiebt sich daher in Richtung Propan, wodurch die Gleichgewichtsmenge an Propen abnimmt.
Kreuzen Sie Prinzip von Le Chatelier an.
1.3 — Vorzeichen der thermodynamischen Größen nach einer Temperaturänderung
Aus 1.1 folgt
\[ \Delta H>0. \]
Bei der anfänglichen Gleichgewichtstemperatur \(T_0\) gilt
\[ \Delta G(T_0)=\Delta H-T_0\Delta S=0. \]
Folglich ist
\[ \Delta S(T_0)=\frac{\Delta H}{T_0}>0, \]
was mit der Zunahme der Anzahl gasförmiger Moleküle übereinstimmt.
Bei konstanten Partialdrücken gilt
\[ \left(\frac{\partial\Delta G}{\partial T}\right)_{\{p_i\}} =-\Delta S<0. \]
Eine Temperaturänderung ausgehend vom anfänglichen Gleichgewicht ergibt somit:
| Temperaturänderung | \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) |
|---|---|---|---|
| Niedrigere Temperatur | + | + | + |
| Höhere Temperatur | + | + | − |
Kreuzen Sie die fünfte und sechste Zeile an. Diese Vorzeichen beschreiben die Temperaturstörung bei den angegebenen Partialdrücken. Sobald die Zusammensetzung ihr neues Gleichgewicht erreicht, ist die Gibbs-Reaktionsenergie wieder null.
1.4 — Geschwindigkeitskonstanten der Reduktion und Oxidation
Die ausgeglichene Gesamtreaktion der oxidativen Dehydrierung lautet
\[ \ce{2 C3H8(g) + O2(g) -> 2 C3H6(g) + 2 H2O(g)}. \]
In den kinetischen Ausdrücken muss überall dort, wo sie den Propanverbrauch beschreiben, der Propanpartialdruck \(p_{\ce{C3H8}}\) verwendet werden.
Für das angegebene Propan–Sauerstoff-Gemisch mit vernachlässigbaren Produktmengen gilt
\[ p_{\ce{O2}}=1.00-0.10=0.90\ \mathrm{bar}. \]
Die experimentelle Verbrauchsgeschwindigkeit beträgt
\[ r=k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0} =(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}) \frac{0.10\ \mathrm{bar}}{1\ \mathrm{bar}} =6.2\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}. \]
Wir definieren die beiden mit dem Druck gewichteten kinetischen Terme
\[ a=k_{\mathrm{red}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}, \qquad b=k_{\mathrm{ox}}\frac{p_{\ce{O2}}}{p^0}. \]
Damit wird der angegebene Geschwindigkeitsausdruck zu
\[ r=\frac{1}{1/a+1/b}=\frac{ab}{a+b}. \]
Interpretiert man den angegebenen Geschwindigkeitsvergleich als \(b=10^5a\), so gilt
\[ r=\frac{a}{1+10^{-5}} =\frac{k_{\mathrm{red}}}{1+10^{-5}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}. \]
Der Vergleich mit dem experimentellen Ausdruck ergibt
\[ k_{\mathrm{red}} =k_{\mathrm{obs}}(1+10^{-5}) \approx\boxed{0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \]
Die Oxidationskonstante folgt aus demselben Geschwindigkeitsvergleich:
\[ \frac{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} {k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H8}}}=10^5, \]
also
\[ \begin{aligned} k_{\mathrm{ox}} &=10^5k_{\mathrm{red}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p_{\ce{O2}}}\\ &=10^5(0.06200062) \frac{0.10}{0.90}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\\ &\approx\boxed{6.9\times10^2\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \end{aligned} \]
Beide Konstanten haben die Einheit \(\mathrm{mol\,s^{-1}}\), da die Druckfaktoren in diesen Ausdrücken dimensionslos sind.
1.5 — Stationärer Anteil reduzierter Zentren
Die drei angegebenen Reaktionen lauten
\[ \ce{C3H8(g) + O(s) ->[k_1] C3H6(g) + H2O(g) + red^{*}} \qquad (1) \]
\[ \ce{C3H6(g) + 9 O(s) ->[k_2] 3 CO2(g) + 3 H2O(g) + 9 red^{*}} \qquad (2) \]
\[ \ce{O2(g) + 2 red^{*} ->[k_3] 2 O(s)} \qquad (3) \]
Hier bezeichnet \(\ce{O(s)}\) ein Sauerstoffatom auf der Katalysatoroberfläche, wie in der Aufgabenstellung definiert.
Bei jedem Ablauf von Schritt 1 wird ein Oberflächensauerstoffatom verbraucht; Schritt 2 verbraucht neun; Schritt 3 liefert zwei. Eine konstante Anzahl von Sauerstoffatomen auf der Oberfläche erfordert daher
\[ 2r_3-r_1-9r_2=0. \]
Mit den angegebenen Geschwindigkeitsgesetzen und dem korrigierten Index für Propan ergibt sich
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = k_1p_{\ce{C3H8}}(1-\beta) +9k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta). \]
Durch Ausklammern auf der rechten Seite erhält man:
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = \left(k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}\right)(1-\beta). \]
Auflösen nach \(\beta\) ergibt
\[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
Die Faktoren 9 und 2 ergeben sich aus der Sauerstoffatombilanz. Die Exponenten der Drücke und der Bedeckungsanteile bleiben so, wie sie in der Aufgabenstellung ausdrücklich angegeben sind.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2017 · Teori sorusu 1
Heterojen katalizörler kullanılarak propen üretimi
Propen veya propilen, Tayland'da ve dünya genelinde petrokimya endüstrisi için en değerli kimyasallardan biridir. Propenin ticari kullanımına iyi bir örnek, polipropilen (PP) üretimidir.
Bölüm A.
Propen, heterojen bir katalizör varlığında propanın doğrudan dehidrojenasyonu yoluyla sentezlenebilir. Ancak böyle bir tepkime, tepkimenin kendi doğası nedeniyle ekonomik açıdan uygulanabilir değildir. Aşağıdaki soruların her biri için kısa bir açıklama yapınız. Ek bilgi: \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C})=1.77H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\), \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})=1.05H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\) ve \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})=1.19H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\); burada \(H_{\mathrm{bond}}\), belirtilen kimyasal bağın ortalama bağ entalpisini ifade eder.
1.1 Propanın doğrudan dehidrojenasyonunun entalpi değişimi nedir? Hesabınızı gösteriniz ve cevabınızı \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\) cinsinden ifade ediniz.
1.2 Sabit sıcaklıkta basıncı artırarak propen miktarını artırmak zordur. Bu olguyu en iyi hangi yasa veya ilke açıklayabilir? Boş dairelerden birine “✓” işareti koyarak cevabınızı seçiniz.
- ☐ Boyle yasası
- ☐ Charles yasası
- ☐ Dalton yasası
- ☐ Raoult yasası
- ☐ Le Chatelier ilkesi
1.3 Başlangıçta sistem dengededir. 1.1 sorusuyla tutarlı olarak, propanın doğrudan dehidrojenasyonu için sistemin aşağıdaki termodinamik değişkenlerine ait doğru işaret kümesi/kümeleri hangileridir? Boş karelerden uygun olanlara „✓” işareti koyarak cevabınızı/cevaplarınızı seçiniz.
| \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) | \(T^{*}\) | |
|---|---|---|---|---|
| ☐ | − | + | + | daha düşük |
| ☐ | − | + | − | daha yüksek |
| ☐ | − | − | + | daha düşük |
| ☐ | − | − | − | daha yüksek |
| ☐ | + | + | + | daha düşük |
| ☐ | + | + | − | daha yüksek |
| ☐ | + | − | + | daha düşük |
| ☐ | + | − | − | daha yüksek |
☐ Yukarıdakilerin hiçbiri doğru değildir
\(^*\) Aynı kısmi basınçta başlangıç sıcaklığına göre.
Bölüm B.
Büyük miktarda propen üretmek için daha iyi bir tepkime, moleküler oksijen gazı ortamında vanadyum oksitler gibi katı katalizörlerin kullanıldığı oksidatif dehidrojenasyondur (ODH). Bu tür tepkimelere yönelik yoğun araştırma ve geliştirme çalışmaları hâlâ sürmekle birlikte, endüstriyel ölçekte propen üretimi açısından sundukları potansiyel, doğrudan dehidrojenasyonunkini gölgede bırakmaktadır.
1.4 Tepkimede propanın toplam tüketim hızı şöyledir:
\[ r_{\ce{C3H6}} = \frac{1}{ \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H6}}} + \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} } \]
Burada \(k_{\mathrm{red}}\) ve \(k_{\mathrm{ox}}\), sırasıyla metal oksit katalizörün propan tarafından indirgenmesinin ve katalizörün moleküler oksijen tarafından yükseltgenmesinin hız sabitleridir; \(p^{o}\) ise 1 bar değerindeki standart basınçtır. Bazı deneylerde, katalizörün yükseltgenme hızının propanın yükseltgenme hızından 100.000 kat daha yüksek olduğu bulunmuştur. Deneysel hız ifadesi şöyledir:
\[ r_{\ce{C3H8}} = k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H6}}}{p^{0}} \]
Burada \(k_{\mathrm{obs}}\), gözlenen hız sabitidir (\(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\)). Katalizör içeren reaktörden toplam 1 bar basınçta sürekli olarak propan ve oksijen geçiriliyorsa, propanın kısmi basıncı 0.10 bar olduğunda \(k_{\mathrm{red}}\) ve \(k_{\mathrm{ox}}\) değerlerini belirleyiniz. Propenin kısmi basıncının ihmal edilebilir olduğunu varsayınız.
Bölüm C.
Metal oksit katalizörün yüzeyinde, ODH için aktif merkez görevi gören oksijen atomları bulunur. İndirgenmiş bir merkez red* ile ve katalizör yüzeyindeki bir oksijen atomu \(\ce{O(s)}\) ile gösterildiğinde, katalizör varlığında ODH için önerilen mekanizmalardan biri aşağıdaki gibi yazılabilir:

Şu tanım verilmiştir:
\[ \beta= \frac{\text{indirgenmiş merkez sayısı}} {\text{toplam aktif merkez sayısı}} \]
Yukarıdaki 3 basamağın hız yasaları şöyledir:
\[ r_1=k_1p_{\ce{C2H8}}(1-\beta) \]
\[ r_2=k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta) \]
ve
\[ r_3=k_3p_{\ce{O2}}\beta \]
1.5 Yüzeydeki oksijen atomlarının miktarının tepkimenin her anında sabit kaldığını varsayarak, \(\beta\) değerini aşağıdakilerin bir fonksiyonu olarak hesaplayınız:
\[ k_1,\ k_2,\ k_3,\ p_{\ce{C2H8}},\ p_{\ce{C3H6}},\ \text{ve }p_{\ce{O2}}. \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 1.1: \(\boxed{\Delta H\approx+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}\). Tepkime endotermiktir.
- 1.2: Le Chatelier ilkesini işaretleyiniz.
- 1.3: Beşinci ve altıncı satırları işaretleyiniz: \((+,+,+,\text{daha düşük})\) ve \((+,+,-,\text{daha yüksek})\); sıralama \((\Delta H,\Delta S,\Delta G,T^*)\) şeklindedir.
- 1.4: \(\boxed{k_{\mathrm{red}}\approx0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\) ve \(\boxed{k_{\mathrm{ox}}\approx6.9\times10^{2}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\).
- 1.5: Propana ait alt indis düzeltilerek, \[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
Çözüm
Aşağıda kullanılan moleküler türler propan CCC, propen C=CC, hidrojen [H][H], moleküler oksijen O=O, su O ve karbon dioksittir O=C=O. Adsorplanmış oksijen atomları ve indirgenmiş katalizör merkezleri, yapısı belirtilmemiş bir katı yüzeye aittir; bu nedenle yüzeye bağlanma biçimleri için tek bir moleküler SMILES gösterimi tanımlanamaz.
1.1 — Doğrudan dehidrojenasyonun entalpisi
Denkleştirilmiş tepkime şöyledir:
\[ \ce{C3H8(g) -> C3H6(g) + H2(g)}. \]
Propan, iki karbon–karbon tekli bağı ve sekiz karbon–hidrojen bağı içerir. Ürünler bir karbon–karbon tekli bağı, bir karbon–karbon çift bağı, altı karbon–hidrojen bağı ve bir hidrojen–hidrojen bağı içerir.
Ortalama bağ entalpileri kullanıldığında,
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx \left[2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +8H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\right]\\ &\quad- \left[H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) +6H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})\right]\\ &= H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H}). \end{aligned} \]
\(D=H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\) olsun. Verilen oranlardan şu sonuç elde edilir:
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx[1+2(1.19)-1.77-1.05(1.19)]D\\ &=0.3605D\\ &\approx\boxed{+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}. \end{aligned} \]
Sonuç, bağ entalpisiyle aynı molar enerji birimine sahiptir. İşaretinin pozitif olması, tepkimenin endotermik olduğunu gösterir.
1.2 — Basıncın etkisi
İleri yöndeki tepkime, gaz moleküllerinin sayısını birden ikiye çıkarır:
\[ \ce{C3H8(g) <=> C3H6(g) + H2(g)}. \]
Le Chatelier ilkesine göre, sabit sıcaklıkta sıkıştırma yoluyla basıncın artırılması, gaz molekülü sayısının daha az olduğu tarafı destekler. Bu nedenle denge propan yönüne kayar ve dengedeki propen miktarı azalır.
Le Chatelier ilkesini işaretleyiniz.
1.3 — Sıcaklık değiştirildikten sonraki termodinamik işaretler
1.1'den,
\[ \Delta H>0. \]
Başlangıçtaki denge sıcaklığı \(T_0\) için,
\[ \Delta G(T_0)=\Delta H-T_0\Delta S=0. \]
Dolayısıyla,
\[ \Delta S(T_0)=\frac{\Delta H}{T_0}>0, \]
bu da gaz hâlindeki moleküllerin sayısındaki artışla tutarlıdır.
Sabit kısmi basınçlarda,
\[ \left(\frac{\partial\Delta G}{\partial T}\right)_{\{p_i\}} =-\Delta S<0. \]
Böylece, sıcaklık başlangıçtaki denge değerinden değiştirildiğinde şu sonuçlar elde edilir:
| Sıcaklık değişimi | \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) |
|---|---|---|---|
| Daha düşük sıcaklık | + | + | + |
| Daha yüksek sıcaklık | + | + | − |
Beşinci ve altıncı satırları işaretleyiniz. Bu işaretler, belirtilen kısmi basınçlarda yapılan sıcaklık değişikliğini betimler. Bileşim yeni denge değerine ulaştığında, tepkimenin Gibbs enerjisi yeniden sıfır olur.
1.4 — İndirgenme ve yükseltgenme hız sabitleri
Denkleştirilmiş toplam oksidatif dehidrojenasyon tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{2 C3H8(g) + O2(g) -> 2 C3H6(g) + 2 H2O(g)}. \]
Kinetik ifadelerde, propan tüketimini betimleyen her yerde propanın kısmi basıncı olan \(p_{\ce{C3H8}}\) kullanılmalıdır.
Ürünlerin ihmal edilebilir olduğu, belirtilen propan–oksijen karışımı için,
\[ p_{\ce{O2}}=1.00-0.10=0.90\ \mathrm{bar}. \]
Deneysel tüketim hızı şöyledir:
\[ r=k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0} =(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}) \frac{0.10\ \mathrm{bar}}{1\ \mathrm{bar}} =6.2\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}. \]
Basınçla ağırlıklandırılmış iki kinetik terimi tanımlayalım:
\[ a=k_{\mathrm{red}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}, \qquad b=k_{\mathrm{ox}}\frac{p_{\ce{O2}}}{p^0}. \]
Bu durumda verilen hız ifadesi şu hâle gelir:
\[ r=\frac{1}{1/a+1/b}=\frac{ab}{a+b}. \]
Belirtilen hız karşılaştırması \(b=10^5a\) olarak yorumlandığında,
\[ r=\frac{a}{1+10^{-5}} =\frac{k_{\mathrm{red}}}{1+10^{-5}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}. \]
Deneysel ifadeyle karşılaştırıldığında şu sonuç elde edilir:
\[ k_{\mathrm{red}} =k_{\mathrm{obs}}(1+10^{-5}) \approx\boxed{0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \]
Yükseltgenme sabiti de aynı hız karşılaştırmasından elde edilir:
\[ \frac{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} {k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H8}}}=10^5, \]
dolayısıyla
\[ \begin{aligned} k_{\mathrm{ox}} &=10^5k_{\mathrm{red}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p_{\ce{O2}}}\\ &=10^5(0.06200062) \frac{0.10}{0.90}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\\ &\approx\boxed{6.9\times10^2\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \end{aligned} \]
Bu ifadelerdeki basınç çarpanları boyutsuz olduğundan, her iki sabitin de birimi \(\mathrm{mol\,s^{-1}}\) olur.
1.5 — İndirgenmiş merkezlerin kararlı durum kesri
Verilen üç tepkime şöyledir:
\[ \ce{C3H8(g) + O(s) ->[k_1] C3H6(g) + H2O(g) + red^{*}} \qquad (1) \]
\[ \ce{C3H6(g) + 9 O(s) ->[k_2] 3 CO2(g) + 3 H2O(g) + 9 red^{*}} \qquad (2) \]
\[ \ce{O2(g) + 2 red^{*} ->[k_3] 2 O(s)} \qquad (3) \]
Burada \(\ce{O(s)}\), soruda tanımlandığı gibi, katalizör yüzeyindeki bir oksijen atomunu gösterir.
- basamağın her gerçekleşmesinde yüzeydeki bir oksijen atomu tüketilir; 2. basamak dokuz oksijen atomu tüketir; 3. basamak ise iki oksijen atomu sağlar. Bu nedenle yüzeydeki oksijen atomlarının sayısının sabit kalması şu koşulu gerektirir:
\[ 2r_3-r_1-9r_2=0. \]
Verilen hız yasaları, propana ait alt indis düzeltilerek kullanıldığında,
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = k_1p_{\ce{C3H8}}(1-\beta) +9k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta). \]
Sağ tarafı ortak çarpan parantezine alalım:
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = \left(k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}\right)(1-\beta). \]
\(\beta\) için çözüldüğünde,
\[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
9 ve 2 çarpanları, oksijen atomu bilançosundan kaynaklanır. Basınç ve yüzey örtülme kesrine ait üsler, soruda açıkça verilenlerle aynı kalır.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2017 · Problema teórico 1
Producción de propeno mediante catalizadores heterogéneos
El propeno o propileno es uno de los productos químicos más valiosos para la industria petroquímica de Tailandia y de todo el mundo. Un buen ejemplo del uso comercial del propeno es la producción de polipropileno (PP).
Parte A.
El propeno puede sintetizarse mediante la deshidrogenación directa del propano en presencia de un catalizador heterogéneo. Sin embargo, esta reacción no es económicamente viable debido a la naturaleza de la propia reacción. Dé una explicación concisa para cada una de las preguntas siguientes. Información adicional: \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C})=1.77H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\), \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})=1.05H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\) y \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})=1.19H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\), donde \(H_{\mathrm{bond}}\) se refiere a la entalpía media de enlace del enlace químico indicado.
1.1 ¿Cuál es la variación de entalpía de la deshidrogenación directa del propano? Muestre sus cálculos y exprese su respuesta en función de \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\).
1.2 Es difícil aumentar la cantidad de propeno aumentando la presión a temperatura constante. ¿Qué ley o principio explica mejor este fenómeno? Seleccione su respuesta marcando «✓» en uno de los círculos vacíos.
- ☐ Ley de Boyle
- ☐ Ley de Charles
- ☐ Ley de Dalton
- ☐ Ley de Raoult
- ☐ Principio de Le Chatelier
1.3 Inicialmente, el sistema se encuentra en equilibrio. De acuerdo con la pregunta 1.1, ¿cuáles son los conjuntos de signos correctos para las siguientes variables termodinámicas del sistema en la deshidrogenación directa del propano? Seleccione sus respuestas marcando «✓» en las casillas vacías que correspondan.
| \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) | \(T^{*}\) | |
|---|---|---|---|---|
| ☐ | − | + | + | menor |
| ☐ | − | + | − | mayor |
| ☐ | − | − | + | menor |
| ☐ | − | − | − | mayor |
| ☐ | + | + | + | menor |
| ☐ | + | + | − | mayor |
| ☐ | + | − | + | menor |
| ☐ | + | − | − | mayor |
☐ Ninguna de las anteriores es correcta
\(^*\) Con respecto a la temperatura inicial, a la misma presión parcial.
Parte B.
Una reacción más adecuada para producir grandes cantidades de propeno es la deshidrogenación oxidativa (ODH), que utiliza catalizadores sólidos, como los óxidos de vanadio, en presencia de oxígeno molecular gaseoso. Aunque este tipo de reacción sigue siendo objeto de intensa investigación y desarrollo, sus perspectivas para la producción de propeno a escala industrial superan las de la deshidrogenación directa.
1.4 La velocidad global de consumo de propano en la reacción es
\[ r_{\ce{C3H6}} = \frac{1}{ \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H6}}} + \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} } \]
donde \(k_{\mathrm{red}}\) y \(k_{\mathrm{ox}}\) son las constantes de velocidad de la reducción del catalizador de óxido metálico por el propano y de la oxidación del catalizador por el oxígeno molecular, respectivamente, y \(p^{o}\) es la presión estándar de 1 bar. En algunos experimentos se observó que la velocidad de oxidación del catalizador es 100,000 veces mayor que la de oxidación del propano. La expresión experimental es
\[ r_{\ce{C3H8}} = k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H6}}}{p^{0}} \]
donde \(k_{\mathrm{obs}}\) es la constante de velocidad observada (\(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\)). Si se hace pasar continuamente propano y oxígeno por el reactor que contiene el catalizador a una presión total de 1 bar, determine los valores de \(k_{\mathrm{red}}\) y \(k_{\mathrm{ox}}\) cuando la presión parcial del propano es de 0.10 bar. Suponga que la presión parcial del propeno es despreciable.
Parte C.
El catalizador de óxido metálico contiene átomos de oxígeno en su superficie que actúan como sitios activos para la ODH. Si se representa un sitio reducido mediante red* y un átomo de oxígeno en la superficie del catalizador mediante \(\ce{O(s)}\), uno de los mecanismos propuestos para la ODH en presencia del catalizador puede escribirse de la siguiente manera:

Dado que
\[ \beta= \frac{\text{número de sitios reducidos}} {\text{número total de sitios activos}} \]
Las leyes de velocidad de las 3 etapas anteriores son:
\[ r_1=k_1p_{\ce{C2H8}}(1-\beta) \]
\[ r_2=k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta) \]
y
\[ r_3=k_3p_{\ce{O2}}\beta \]
1.5 Suponiendo que la cantidad de átomos de oxígeno en la superficie permanece constante en todo momento durante la reacción, calcule \(\beta\) en función de
\[ k_1,\ k_2,\ k_3,\ p_{\ce{C2H8}},\ p_{\ce{C3H6}},\ \text{y }p_{\ce{O2}}. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 1.1: \(\boxed{\Delta H\approx+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}\). La reacción es endotérmica.
- 1.2: Marque Principio de Le Chatelier.
- 1.3: Marque las filas quinta y sexta: \((+,+,+,\text{menor})\) y \((+,+,-,\text{mayor})\), en el orden \((\Delta H,\Delta S,\Delta G,T^*)\).
- 1.4: \(\boxed{k_{\mathrm{red}}\approx0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\) y \(\boxed{k_{\mathrm{ox}}\approx6.9\times10^{2}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\).
- 1.5: Utilizando el subíndice corregido del propano, \[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
Solución
Las especies moleculares utilizadas a continuación son propano CCC, propeno C=CC, hidrógeno [H][H], oxígeno molecular O=O, agua O y dióxido de carbono O=C=O. Los átomos de oxígeno adsorbidos y los sitios reducidos del catalizador pertenecen a una superficie sólida no especificada, por lo que sus enlaces superficiales no tienen una representación SMILES molecular definida de manera única.
1.1 — Entalpía de la deshidrogenación directa
La reacción ajustada es
\[ \ce{C3H8(g) -> C3H6(g) + H2(g)}. \]
El propano contiene dos enlaces simples carbono–carbono y ocho enlaces carbono–hidrógeno. Los productos contienen un enlace simple carbono–carbono, un enlace doble carbono–carbono, seis enlaces carbono–hidrógeno y un enlace hidrógeno–hidrógeno.
Utilizando las entalpías medias de enlace,
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx \left[2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +8H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\right]\\ &\quad- \left[H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) +6H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})\right]\\ &= H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H}). \end{aligned} \]
Sea \(D=H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\). Las relaciones proporcionadas dan
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx[1+2(1.19)-1.77-1.05(1.19)]D\\ &=0.3605D\\ &\approx\boxed{+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}. \end{aligned} \]
El resultado tiene las mismas unidades de energía molar que la entalpía de enlace. Su signo positivo indica que la reacción es endotérmica.
1.2 — Efecto de la presión
La reacción directa aumenta el número de moléculas gaseosas de una a dos:
\[ \ce{C3H8(g) <=> C3H6(g) + H2(g)}. \]
Según el principio de Le Chatelier, aumentar la presión mediante compresión a temperatura constante favorece el lado con menos moléculas gaseosas. Por tanto, el equilibrio se desplaza hacia el propano, lo que reduce la cantidad de propeno en el equilibrio.
Marque Principio de Le Chatelier.
1.3 — Signos de las variables termodinámicas tras cambiar la temperatura
Del apartado 1.1,
\[ \Delta H>0. \]
A la temperatura de equilibrio inicial \(T_0\),
\[ \Delta G(T_0)=\Delta H-T_0\Delta S=0. \]
Por consiguiente,
\[ \Delta S(T_0)=\frac{\Delta H}{T_0}>0, \]
lo que concuerda con el aumento del número de moléculas gaseosas.
A presiones parciales constantes,
\[ \left(\frac{\partial\Delta G}{\partial T}\right)_{\{p_i\}} =-\Delta S<0. \]
Así, al cambiar la temperatura con respecto al equilibrio inicial se obtiene:
| Cambio de temperatura | \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) |
|---|---|---|---|
| Temperatura menor | + | + | + |
| Temperatura mayor | + | + | − |
Marque las filas quinta y sexta. Estos signos describen la perturbación de temperatura a las presiones parciales especificadas. Una vez que la composición alcanza su nuevo equilibrio, la energía de Gibbs de reacción vuelve a ser cero.
1.4 — Constantes de velocidad de reducción y oxidación
La reacción global ajustada de deshidrogenación oxidativa es
\[ \ce{2 C3H8(g) + O2(g) -> 2 C3H6(g) + 2 H2O(g)}. \]
Las expresiones cinéticas deben utilizar la presión parcial del propano, \(p_{\ce{C3H8}}\), siempre que describan el consumo de propano.
Para la mezcla de propano y oxígeno indicada, con cantidades despreciables de productos,
\[ p_{\ce{O2}}=1.00-0.10=0.90\ \mathrm{bar}. \]
La velocidad experimental de consumo es
\[ r=k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0} =(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}) \frac{0.10\ \mathrm{bar}}{1\ \mathrm{bar}} =6.2\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}. \]
Definamos los dos términos cinéticos ponderados por la presión
\[ a=k_{\mathrm{red}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}, \qquad b=k_{\mathrm{ox}}\frac{p_{\ce{O2}}}{p^0}. \]
Entonces, la expresión de velocidad dada se convierte en
\[ r=\frac{1}{1/a+1/b}=\frac{ab}{a+b}. \]
Interpretando la comparación de velocidades indicada como \(b=10^5a\),
\[ r=\frac{a}{1+10^{-5}} =\frac{k_{\mathrm{red}}}{1+10^{-5}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}. \]
La comparación con la expresión experimental da
\[ k_{\mathrm{red}} =k_{\mathrm{obs}}(1+10^{-5}) \approx\boxed{0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \]
La constante de oxidación se obtiene de la misma comparación de velocidades:
\[ \frac{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} {k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H8}}}=10^5, \]
por lo que
\[ \begin{aligned} k_{\mathrm{ox}} &=10^5k_{\mathrm{red}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p_{\ce{O2}}}\\ &=10^5(0.06200062) \frac{0.10}{0.90}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\\ &\approx\boxed{6.9\times10^2\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \end{aligned} \]
Ambas constantes tienen unidades de \(\mathrm{mol\,s^{-1}}\), porque los factores de presión de estas expresiones son adimensionales.
1.5 — Fracción de sitios reducidos en estado estacionario
Las tres reacciones proporcionadas son
\[ \ce{C3H8(g) + O(s) ->[k_1] C3H6(g) + H2O(g) + red^{*}} \qquad (1) \]
\[ \ce{C3H6(g) + 9 O(s) ->[k_2] 3 CO2(g) + 3 H2O(g) + 9 red^{*}} \qquad (2) \]
\[ \ce{O2(g) + 2 red^{*} ->[k_3] 2 O(s)} \qquad (3) \]
Aquí, \(\ce{O(s)}\) representa un átomo de oxígeno en la superficie del catalizador, tal como se define en el enunciado.
Cada vez que ocurre la etapa 1 se consume un átomo de oxígeno superficial; la etapa 2 consume nueve; la etapa 3 aporta dos. Por tanto, para que el número de átomos de oxígeno superficial permanezca constante, se requiere
\[ 2r_3-r_1-9r_2=0. \]
Utilizando las leyes de velocidad proporcionadas, con el subíndice del propano corregido,
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = k_1p_{\ce{C3H8}}(1-\beta) +9k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta). \]
Factorizando el miembro derecho:
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = \left(k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}\right)(1-\beta). \]
Despejando \(\beta\),
\[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
Los factores 9 y 2 proceden del balance de átomos de oxígeno. Los exponentes de la presión y del grado de recubrimiento siguen siendo los proporcionados explícitamente en el enunciado.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2017 · 理论题 1
使用多相催化剂生产丙烯
丙烯是泰国乃至全球石油化工行业中最具价值的化学品之一。丙烯商业用途的一个典型例子是生产聚丙烯(PP)。
部分 A.
在多相催化剂存在下,可通过丙烷直接脱氢合成丙烯。然而,由于反应本身的性质,这种反应在经济上并不可行。请对以下各问题作出简明解释。补充信息:\(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C})=1.77H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\)、\(H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})=1.05H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\) 和 \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})=1.19H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\),其中 \(H_{\mathrm{bond}}\) 表示所指化学键的平均键焓。
1.1 丙烷直接脱氢的焓变是多少?写出计算过程,并用 \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\) 表示答案。
1.2 在恒温条件下,通过增大压力难以增加丙烯的量。哪一定律或原理最能解释这一现象?请在一个空心圆中打“✓”以选择答案。
- ☐ 波义耳定律
- ☐ 查理定律
- ☐ 道尔顿定律
- ☐ 拉乌尔定律
- ☐ 勒夏特列原理
1.3 最初,体系处于平衡状态。根据第 1.1 问,对于丙烷直接脱氢反应,体系下列热力学变量的符号组合中,哪些是正确的?请在相应的空方框中打“✓”以选择答案。
| \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) | \(T^{*}\) | |
|---|---|---|---|---|
| ☐ | − | + | + | 较低 |
| ☐ | − | + | − | 较高 |
| ☐ | − | − | + | 较低 |
| ☐ | − | − | − | 较高 |
| ☐ | + | + | + | 较低 |
| ☐ | + | + | − | 较高 |
| ☐ | + | − | + | 较低 |
| ☐ | + | − | − | 较高 |
☐ 以上均不正确
\(^*\) 在相同分压下,相对于初始温度而言。
部分 B.
大量生产丙烯的一种更好的反应是,在氧气气氛下,使用钒氧化物等固体催化剂进行氧化脱氢(ODH)。尽管这类反应仍处于深入研究开发阶段,但其在工业规模生产丙烯方面的前景优于直接脱氢反应。
1.4 反应中丙烷消耗的总速率为
\[ r_{\ce{C3H6}} = \frac{1}{ \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H6}}} + \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} } \]
其中,\(k_{\mathrm{red}}\) 和 \(k_{\mathrm{ox}}\) 分别为丙烷还原金属氧化物催化剂以及氧分子氧化催化剂的速率常数,\(p^{o}\) 为 1 bar 的标准压力。一些实验发现,催化剂的氧化速率是丙烷氧化速率的 100,000 倍。实验测得
\[ r_{\ce{C3H8}} = k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H6}}}{p^{0}} \]
其中,\(k_{\mathrm{obs}}\) 为观测速率常数(\(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\))。若在总压为 1 bar 的条件下,向装有催化剂的反应器中连续通入丙烷和氧气,求丙烷分压为 0.10 bar 时 \(k_{\mathrm{red}}\) 和 \(k_{\mathrm{ox}}\) 的值。假设丙烯的分压可忽略不计。
部分 C.
金属氧化物催化剂表面的氧原子充当 ODH 的活性位点。以 red* 表示还原态位点,以 \(\ce{O(s)}\) 表示催化剂表面的氧原子,在该催化剂存在下,所提出的 ODH 反应机理之一可写为:

已知
\[ \beta= \frac{\text{还原态位点数}} {\text{活性位点总数}} \]
上述 3 个步骤的速率方程为:
\[ r_1=k_1p_{\ce{C2H8}}(1-\beta) \]
\[ r_2=k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta) \]
以及
\[ r_3=k_3p_{\ce{O2}}\beta \]
1.5 假设在反应过程中的任意时刻,表面氧原子的数量均保持恒定,求 \(\beta\) 关于下列变量的函数表达式:
\[ k_1,\ k_2,\ k_3,\ p_{\ce{C2H8}},\ p_{\ce{C3H6}},\ \text{和 }p_{\ce{O2}}. \]
题目译自官方英文原文。
答案
- 1.1: \(\boxed{\Delta H\approx+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}\)。该反应为吸热反应。
- 1.2: 勾选勒夏特列原理。
- 1.3: 勾选第五行和第六行:\((+,+,+,\text{较低})\) 和 \((+,+,-,\text{较高})\),各项依次为 \((\Delta H,\Delta S,\Delta G,T^*)\)。
- 1.4: \(\boxed{k_{\mathrm{red}}\approx0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\) 和 \(\boxed{k_{\mathrm{ox}}\approx6.9\times10^{2}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\)。
- 1.5: 使用更正后的丙烷下标, \[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
解答
下文使用的分子物种为丙烷 CCC、丙烯 C=CC、氢气 [H][H]、氧气 O=O、水 O 和二氧化碳 O=C=O。吸附态氧原子和还原态催化剂位点属于未明确指定的固体表面,因此它们的表面成键情况没有唯一定义的分子 SMILES 表示。
1.1 — 直接脱氢的焓变
配平后的反应为
\[ \ce{C3H8(g) -> C3H6(g) + H2(g)}. \]
丙烷含有两个碳—碳单键和八个碳—氢键。产物含有一个碳—碳单键、一个碳—碳双键、六个碳—氢键和一个氢—氢键。
利用平均键焓,
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx \left[2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +8H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\right]\\ &\quad- \left[H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) +6H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})\right]\\ &= H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H}). \end{aligned} \]
令 \(D=H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\)。由题给比值得
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx[1+2(1.19)-1.77-1.05(1.19)]D\\ &=0.3605D\\ &\approx\boxed{+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}. \end{aligned} \]
该结果与键焓具有相同的摩尔能量单位。其正号表明这是一个吸热反应。
1.2 — 压力的影响
正向反应使气体分子数由一增至二:
\[ \ce{C3H8(g) <=> C3H6(g) + H2(g)}. \]
根据勒夏特列原理,在恒温下通过压缩增大压力,有利于气体分子数较少的一侧。因此,平衡向生成丙烷的方向移动,使平衡时丙烯的量减少。
勾选勒夏特列原理。
1.3 — 改变温度后热力学量的符号
由 1.1 可知,
\[ \Delta H>0. \]
在初始平衡温度 \(T_0\) 下,
\[ \Delta G(T_0)=\Delta H-T_0\Delta S=0. \]
因此,
\[ \Delta S(T_0)=\frac{\Delta H}{T_0}>0, \]
这与气体分子数的增加相一致。
在各分压固定时,
\[ \left(\frac{\partial\Delta G}{\partial T}\right)_{\{p_i\}} =-\Delta S<0. \]
因此,从初始平衡状态改变温度,会得到:
| 温度变化 | \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) |
|---|---|---|---|
| 降低温度 | + | + | + |
| 升高温度 | + | + | − |
勾选第五行和第六行。这些符号描述的是在指定分压下温度扰动后的情况。一旦组成达到新的平衡,反应吉布斯能便再次为零。
1.4 — 还原和氧化速率常数
配平后的氧化脱氢总反应为
\[ \ce{2 C3H8(g) + O2(g) -> 2 C3H6(g) + 2 H2O(g)}. \]
动力学表达式中,凡是描述丙烷消耗的地方,都必须使用丙烷的分压 \(p_{\ce{C3H8}}\)。
对于题述产物可忽略不计的丙烷—氧气混合物,
\[ p_{\ce{O2}}=1.00-0.10=0.90\ \mathrm{bar}. \]
实验测得的消耗速率为
\[ r=k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0} =(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}) \frac{0.10\ \mathrm{bar}}{1\ \mathrm{bar}} =6.2\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}. \]
定义两个经压力加权的动力学项
\[ a=k_{\mathrm{red}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}, \qquad b=k_{\mathrm{ox}}\frac{p_{\ce{O2}}}{p^0}. \]
则题给速率表达式变为
\[ r=\frac{1}{1/a+1/b}=\frac{ab}{a+b}. \]
将题述速率比较理解为 \(b=10^5a\),
\[ r=\frac{a}{1+10^{-5}} =\frac{k_{\mathrm{red}}}{1+10^{-5}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}. \]
与实验表达式比较可得
\[ k_{\mathrm{red}} =k_{\mathrm{obs}}(1+10^{-5}) \approx\boxed{0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \]
由同一速率比较关系可得氧化速率常数:
\[ \frac{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} {k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H8}}}=10^5, \]
因此
\[ \begin{aligned} k_{\mathrm{ox}} &=10^5k_{\mathrm{red}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p_{\ce{O2}}}\\ &=10^5(0.06200062) \frac{0.10}{0.90}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\\ &\approx\boxed{6.9\times10^2\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \end{aligned} \]
两个常数的单位均为 \(\mathrm{mol\,s^{-1}}\),因为这些表达式中的压力因子是无量纲的。
1.5 — 还原态位点的稳态比例
题给的三个反应为
\[ \ce{C3H8(g) + O(s) ->[k_1] C3H6(g) + H2O(g) + red^{*}} \qquad (1) \]
\[ \ce{C3H6(g) + 9 O(s) ->[k_2] 3 CO2(g) + 3 H2O(g) + 9 red^{*}} \qquad (2) \]
\[ \ce{O2(g) + 2 red^{*} ->[k_3] 2 O(s)} \qquad (3) \]
这里,\(\ce{O(s)}\) 按题目中的定义表示催化剂表面的一个氧原子。
步骤 1 每发生一次消耗一个表面氧原子;步骤 2 消耗九个;步骤 3 补充两个。因此,表面氧原子数保持恒定要求
\[ 2r_3-r_1-9r_2=0. \]
使用题给速率方程,并更正丙烷的下标,得
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = k_1p_{\ce{C3H8}}(1-\beta) +9k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta). \]
对右侧提取公因子:
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = \left(k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}\right)(1-\beta). \]
解出 \(\beta\),得
\[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
系数 9 和 2 来自氧原子衡算。压力和覆盖度的指数仍采用题目中明确给出的值。
解答已与官方解答核对。
IChO 2017 · Теоретическая задача 1
Получение пропена с использованием гетерогенных катализаторов
Пропен, или пропилен, — одно из наиболее ценных химических веществ для нефтехимической промышленности Таиланда и всего мира. Одним из ярких примеров промышленного применения пропена является производство полипропилена (PP).
Часть A.
Пропен можно синтезировать прямым дегидрированием пропана в присутствии гетерогенного катализатора. Однако такая реакция экономически нецелесообразна из-за особенностей самой реакции. Дайте краткое объяснение к каждому из приведённых ниже вопросов. Дополнительная информация: \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C})=1.77H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\), \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})=1.05H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\) и \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})=1.19H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\), где \(H_{\mathrm{bond}}\) обозначает среднюю энтальпию указанной химической связи.
1.1 Каково изменение энтальпии при прямом дегидрировании пропана? Приведите расчёт и выразите ответ через \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\).
1.2 Увеличить количество пропена повышением давления при постоянной температуре затруднительно. Какой закон или принцип лучше всего объясняет это явление? Выберите ответ, поставив знак «✓» в одном из незаполненных кружков.
- ☐ Закон Бойля — Мариотта
- ☐ Закон Шарля
- ☐ Закон Дальтона
- ☐ Закон Рауля
- ☐ Принцип Ле Шателье
1.3 Изначально система находится в равновесии. Какие наборы знаков следующих термодинамических величин системы для прямого дегидрирования пропана являются правильными в соответствии с вопросом 1.1? Выберите ответ(ы), поставив знак «✓» в соответствующих незаполненных квадратах.
| \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) | \(T^{*}\) | |
|---|---|---|---|---|
| ☐ | − | + | + | ниже |
| ☐ | − | + | − | выше |
| ☐ | − | − | + | ниже |
| ☐ | − | − | − | выше |
| ☐ | + | + | + | ниже |
| ☐ | + | + | − | выше |
| ☐ | + | − | + | ниже |
| ☐ | + | − | − | выше |
☐ Ни один из приведённых выше вариантов не является правильным
\(^*\) По сравнению с исходной температурой при том же парциальном давлении.
Часть B.
Более подходящей реакцией для получения больших количеств пропена является окислительное дегидрирование (ODH) с использованием твёрдых катализаторов, таких как оксиды ванадия, в атмосфере газообразного молекулярного кислорода. Хотя реакции этого типа всё ещё находятся на стадии интенсивных исследований и разработок, по перспективности для производства пропена в промышленном масштабе они превосходят прямое дегидрирование.
1.4 Общая скорость расходования пропана в реакции равна
\[ r_{\ce{C3H6}} = \frac{1}{ \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H6}}} + \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} } \]
где \(k_{\mathrm{red}}\) и \(k_{\mathrm{ox}}\) — константы скорости восстановления оксидного катализатора пропаном и окисления катализатора молекулярным кислородом соответственно, а \(p^{o}\) — стандартное давление, равное 1 бар. В некоторых экспериментах было установлено, что скорость окисления катализатора в 100 000 раз выше скорости окисления пропана. Экспериментальное выражение
\[ r_{\ce{C3H8}} = k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H6}}}{p^{0}} \]
где \(k_{\mathrm{obs}}\) — наблюдаемая константа скорости (\(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\)). Если через реактор, содержащий катализатор, непрерывно пропускают пропан и кислород при общем давлении 1 бар, определите значения \(k_{\mathrm{red}}\) и \(k_{\mathrm{ox}}\) при парциальном давлении пропана 0.10 бар. Считайте парциальное давление пропена пренебрежимо малым.
Часть C.
Оксидный катализатор содержит на своей поверхности атомы кислорода, которые служат активными центрами ODH. Обозначив восстановленный центр как red*, а атом кислорода на поверхности катализатора как \(\ce{O(s)}\), один из предложенных механизмов ODH в присутствии катализатора можно записать следующим образом:

Дано
\[ \beta= \frac{\text{число восстановленных центров}} {\text{общее число активных центров}} \]
Кинетические уравнения для приведённых выше 3 стадий имеют вид:
\[ r_1=k_1p_{\ce{C2H8}}(1-\beta) \]
\[ r_2=k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta) \]
и
\[ r_3=k_3p_{\ce{O2}}\beta \]
1.5 Предполагая, что количество атомов кислорода на поверхности остаётся постоянным в любой момент реакции, рассчитайте \(\beta\) как функцию
\[ k_1,\ k_2,\ k_3,\ p_{\ce{C2H8}},\ p_{\ce{C3H6}},\ \text{и }p_{\ce{O2}}. \]
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 1.1: \(\boxed{\Delta H\approx+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}\). Реакция эндотермическая.
- 1.2: Отметьте принцип Ле Шателье.
- 1.3: Отметьте пятую и шестую строки: \((+,+,+,\text{ниже})\) и \((+,+,-,\text{выше})\), в порядке \((\Delta H,\Delta S,\Delta G,T^*)\).
- 1.4: \(\boxed{k_{\mathrm{red}}\approx0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\) и \(\boxed{k_{\mathrm{ox}}\approx6.9\times10^{2}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\).
- 1.5: С исправленным индексом для пропана, \[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
Решение
Ниже используются следующие молекулярные частицы: пропан CCC, пропен C=CC, водород [H][H], молекулярный кислород O=O, вода O и диоксид углерода O=C=O. Адсорбированные атомы кислорода и восстановленные центры катализатора относятся к неуточнённой твёрдой поверхности, поэтому их связывание с поверхностью не имеет однозначно определённого молекулярного представления SMILES.
1.1 — Энтальпия прямого дегидрирования
Уравнение реакции с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \ce{C3H8(g) -> C3H6(g) + H2(g)}. \]
Пропан содержит две одинарные связи углерод–углерод и восемь связей углерод–водород. Продукты содержат одну одинарную связь углерод–углерод, одну двойную связь углерод–углерод, шесть связей углерод–водород и одну связь водород–водород.
Используя средние энтальпии связей, получаем
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx \left[2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +8H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\right]\\ &\quad- \left[H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) +6H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})\right]\\ &= H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H}). \end{aligned} \]
Пусть \(D=H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\). Из приведённых соотношений следует
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx[1+2(1.19)-1.77-1.05(1.19)]D\\ &=0.3605D\\ &\approx\boxed{+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}. \end{aligned} \]
Результат выражается в тех же единицах молярной энергии, что и энтальпия связи. Его положительный знак указывает на эндотермический характер реакции.
1.2 — Влияние давления
Прямая реакция увеличивает число молекул газа с одной до двух:
\[ \ce{C3H8(g) <=> C3H6(g) + H2(g)}. \]
Согласно принципу Ле Шателье, повышение давления путём сжатия при постоянной температуре благоприятствует стороне с меньшим числом молекул газа. Поэтому равновесие смещается в сторону пропана, уменьшая равновесное количество пропена.
Отметьте принцип Ле Шателье.
1.3 — Знаки термодинамических величин после изменения температуры
Из 1.1 следует
\[ \Delta H>0. \]
При исходной температуре равновесия \(T_0\),
\[ \Delta G(T_0)=\Delta H-T_0\Delta S=0. \]
Следовательно,
\[ \Delta S(T_0)=\frac{\Delta H}{T_0}>0, \]
что согласуется с увеличением числа молекул газа.
При постоянных парциальных давлениях
\[ \left(\frac{\partial\Delta G}{\partial T}\right)_{\{p_i\}} =-\Delta S<0. \]
Таким образом, изменение температуры относительно исходного равновесного состояния даёт:
| Изменение температуры | \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) |
|---|---|---|---|
| Понижение температуры | + | + | + |
| Повышение температуры | + | + | − |
Отметьте пятую и шестую строки. Эти знаки описывают температурное возмущение при указанных парциальных давлениях. Когда состав достигает нового равновесного значения, энергия Гиббса реакции вновь становится равной нулю.
1.4 — Константы скорости восстановления и окисления
Суммарное уравнение окислительного дегидрирования с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \ce{2 C3H8(g) + O2(g) -> 2 C3H6(g) + 2 H2O(g)}. \]
В кинетических выражениях везде, где они описывают расходование пропана, необходимо использовать парциальное давление пропана, \(p_{\ce{C3H8}}\).
Для указанной смеси пропана и кислорода с пренебрежимо малым содержанием продуктов
\[ p_{\ce{O2}}=1.00-0.10=0.90\ \mathrm{bar}. \]
Экспериментальная скорость расходования равна
\[ r=k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0} =(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}) \frac{0.10\ \mathrm{bar}}{1\ \mathrm{bar}} =6.2\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}. \]
Определим две кинетические величины с учётом давления
\[ a=k_{\mathrm{red}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}, \qquad b=k_{\mathrm{ox}}\frac{p_{\ce{O2}}}{p^0}. \]
Тогда данное выражение для скорости принимает вид
\[ r=\frac{1}{1/a+1/b}=\frac{ab}{a+b}. \]
Интерпретируя указанное соотношение скоростей как \(b=10^5a\), получаем
\[ r=\frac{a}{1+10^{-5}} =\frac{k_{\mathrm{red}}}{1+10^{-5}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}. \]
Сравнение с экспериментальным выражением даёт
\[ k_{\mathrm{red}} =k_{\mathrm{obs}}(1+10^{-5}) \approx\boxed{0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \]
Константа окисления следует из того же соотношения скоростей:
\[ \frac{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} {k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H8}}}=10^5, \]
поэтому
\[ \begin{aligned} k_{\mathrm{ox}} &=10^5k_{\mathrm{red}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p_{\ce{O2}}}\\ &=10^5(0.06200062) \frac{0.10}{0.90}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\\ &\approx\boxed{6.9\times10^2\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \end{aligned} \]
Обе константы имеют единицы измерения \(\mathrm{mol\,s^{-1}}\), поскольку множители, учитывающие давление, в этих выражениях безразмерны.
1.5 — Стационарная доля восстановленных центров
Три приведённые реакции имеют вид
\[ \ce{C3H8(g) + O(s) ->[k_1] C3H6(g) + H2O(g) + red^{*}} \qquad (1) \]
\[ \ce{C3H6(g) + 9 O(s) ->[k_2] 3 CO2(g) + 3 H2O(g) + 9 red^{*}} \qquad (2) \]
\[ \ce{O2(g) + 2 red^{*} ->[k_3] 2 O(s)} \qquad (3) \]
Здесь \(\ce{O(s)}\) обозначает атом кислорода на поверхности катализатора, как определено в условии.
Каждый акт стадии 1 расходует один атом кислорода на поверхности; стадии 2 — девять; стадия 3 добавляет два. Поэтому постоянство числа атомов кислорода на поверхности требует
\[ 2r_3-r_1-9r_2=0. \]
Используя приведённые кинетические уравнения с исправленным индексом для пропана, получаем
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = k_1p_{\ce{C3H8}}(1-\beta) +9k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta). \]
Вынесем общий множитель в правой части:
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = \left(k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}\right)(1-\beta). \]
Решая относительно \(\beta\), получаем
\[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
Множители 9 и 2 следуют из баланса атомов кислорода. Показатели степеней при давлениях и долях заполнения поверхности остаются такими, как явно указано в условии.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2017 · مسألة نظرية 1
إنتاج البروبين باستخدام حفازات غير متجانسة
يُعد البروبين، أو البروبيلين، من أكثر المواد الكيميائية قيمةً لصناعة البتروكيماويات في تايلاند وفي أنحاء العالم. ومن الأمثلة الجيدة على الاستخدام التجاري للبروبين إنتاج البولي بروبيلين (PP).
الجزء A.
يمكن تحضير البروبين بنزع الهيدروجين المباشر من البروبان بوجود حفاز غير متجانس. إلا أن هذا التفاعل غير مجدٍ اقتصاديًا بسبب طبيعة التفاعل نفسه. قدّم تفسيرًا موجزًا لكل سؤال من الأسئلة أدناه. معلومات إضافية: \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C})=1.77H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\)، و\(H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})=1.05H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\)، و\(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})=1.19H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\)، حيث يشير \(H_{\mathrm{bond}}\) إلى متوسط إنثالبي الرابطة الكيميائية المحددة.
1.1 ما التغير في الإنثالبي لنزع الهيدروجين المباشر من البروبان؟ بيّن حساباتك وعبّر عن إجابتك بدلالة \(H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\).
1.2 يصعب زيادة كمية البروبين بزيادة الضغط عند ثبوت درجة الحرارة. أي قانون أو مبدأ يفسر هذه الظاهرة على أفضل وجه؟ اختر إجابتك بوضع علامة «✓» في واحدة من الدوائر الفارغة.
- ☐ قانون بويل
- ☐ قانون شارل
- ☐ قانون دالتون
- ☐ قانون راؤولت
- ☐ مبدأ لوشاتيليه
1.3 يكون النظام في حالة اتزان في البداية. بما يتفق مع السؤال 1.1، ما مجموعة أو مجموعات الإشارات الصحيحة للمتغيرات الديناميكية الحرارية التالية للنظام في تفاعل نزع الهيدروجين المباشر من البروبان؟ اختر إجابتك أو إجاباتك بوضع علامة «✓» في أي من المربعات الفارغة.
| \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) | \(T^{*}\) | |
|---|---|---|---|---|
| ☐ | − | + | + | أقل |
| ☐ | − | + | − | أعلى |
| ☐ | − | − | + | أقل |
| ☐ | − | − | − | أعلى |
| ☐ | + | + | + | أقل |
| ☐ | + | + | − | أعلى |
| ☐ | + | − | + | أقل |
| ☐ | + | − | − | أعلى |
☐ لا شيء مما سبق صحيح
\(^*\) بالنسبة إلى درجة الحرارة الابتدائية عند الضغط الجزئي نفسه.
الجزء B.
يُعد نزع الهيدروجين التأكسدي (ODH) باستخدام حفازات صلبة، مثل أكاسيد الفاناديوم، في جو من غاز الأكسجين الجزيئي تفاعلًا أفضل لإنتاج كمية كبيرة من البروبين. وعلى الرغم من أن هذا النوع من التفاعلات لا يزال يخضع لبحوث وتطوير مكثفين، فإن آفاقه الواعدة لإنتاج البروبين على نطاق صناعي تفوق آفاق نزع الهيدروجين المباشر.
1.4 المعدل الكلي لاستهلاك البروبان في التفاعل هو
\[ r_{\ce{C3H6}} = \frac{1}{ \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H6}}} + \dfrac{p^{0}}{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} } \]
حيث \(k_{\mathrm{red}}\) و\(k_{\mathrm{ox}}\) هما ثابتا سرعة اختزال حفاز أكسيد الفلز بواسطة البروبان وأكسدة الحفاز بواسطة الأكسجين الجزيئي، على الترتيب، و\(p^{o}\) هو الضغط القياسي البالغ 1 بار. وجدت بعض التجارب أن معدل أكسدة الحفاز أسرع بمقدار 100,000 مرة من معدل أكسدة البروبان. والمعدل التجريبي هو
\[ r_{\ce{C3H8}} = k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H6}}}{p^{0}} \]
حيث \(k_{\mathrm{obs}}\) هو ثابت السرعة المرصود (\(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\)). إذا مُرِّر البروبان والأكسجين باستمرار عبر المفاعل المحتوي على الحفاز عند ضغط كلي مقداره 1 بار، فحدّد قيمتي \(k_{\mathrm{red}}\) و\(k_{\mathrm{ox}}\) عندما يكون الضغط الجزئي للبروبان 0.10 بار. افترض أن الضغط الجزئي للبروبين مهمل.
الجزء C.
يحتوي حفاز أكسيد الفلز على ذرات أكسجين على سطحه تعمل مواقعَ نشطةً لنزع الهيدروجين التأكسدي. وبالرمز red* إلى موقع مختزل، وبالرمز \(\ce{O(s)}\) إلى ذرة أكسجين على سطح الحفاز، يمكن كتابة إحدى الآليات المقترحة لنزع الهيدروجين التأكسدي بوجود الحفاز كما يلي:

علمًا بأن
\[ \beta= \frac{\text{عدد المواقع المختزلة}} {\text{العدد الكلي للمواقع النشطة}} \]
قوانين السرعة للخطوات الثلاث أعلاه هي:
\[ r_1=k_1p_{\ce{C2H8}}(1-\beta) \]
\[ r_2=k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta) \]
و
\[ r_3=k_3p_{\ce{O2}}\beta \]
1.5 بافتراض أن كمية ذرات الأكسجين على السطح تظل ثابتة في أي وقت من أوقات التفاعل، احسب \(\beta\) بوصفها دالة في
\[ k_1,\ k_2,\ k_3,\ p_{\ce{C2H8}},\ p_{\ce{C3H6}},\ \text{و }p_{\ce{O2}}. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 1.1: \(\boxed{\Delta H\approx+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}\). التفاعل ماص للحرارة.
- 1.2: ضع علامة عند مبدأ لوشاتيليه.
- 1.3: ضع علامة في الصفين الخامس والسادس: \((+,+,+,\text{أقل})\) و\((+,+,-,\text{أعلى})\)، بالترتيب \((\Delta H,\Delta S,\Delta G,T^*)\).
- 1.4: \(\boxed{k_{\mathrm{red}}\approx0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\) و\(\boxed{k_{\mathrm{ox}}\approx6.9\times10^{2}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}\).
- 1.5: باستخدام الرمز السفلي المصحح للبروبان، \[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
الحل
الأنواع الجزيئية المستخدمة فيما يلي هي البروبان CCC، والبروبين C=CC، والهيدروجين [H][H]، والأكسجين الجزيئي O=O، والماء O، وثاني أكسيد الكربون O=C=O. تنتمي ذرات الأكسجين الممتزة ومواقع الحفاز المختزلة إلى سطح صلب غير محدد، ولذلك لا يوجد تمثيل جزيئي محدد على نحو فريد بصيغة SMILES لترابطها السطحي.
1.1 — إنثالبي نزع الهيدروجين المباشر
التفاعل الموزون هو
\[ \ce{C3H8(g) -> C3H6(g) + H2(g)}. \]
يحتوي البروبان على رابطتين أحاديتين بين الكربون والكربون وثماني روابط بين الكربون والهيدروجين. وتحتوي النواتج على رابطة أحادية واحدة بين الكربون والكربون، ورابطة مزدوجة واحدة بين الكربون والكربون، وست روابط بين الكربون والهيدروجين، ورابطة واحدة بين الهيدروجين والهيدروجين.
باستخدام متوسطات إنثالبيات الروابط،
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx \left[2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +8H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H})\right]\\ &\quad- \left[H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) +6H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) +H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H})\right]\\ &= H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C}) +2H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-H}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{C=C}) -H_{\mathrm{bond}}(\ce{H-H}). \end{aligned} \]
لتكن \(D=H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})\). تعطي النسب المعطاة
\[ \begin{aligned} \Delta H &\approx[1+2(1.19)-1.77-1.05(1.19)]D\\ &=0.3605D\\ &\approx\boxed{+0.36H_{\mathrm{bond}}(\ce{C-C})}. \end{aligned} \]
للنتيجة وحدات الطاقة المولية نفسها التي لإنثالبي الرابطة. وتشير إشارتها الموجبة إلى تفاعل ماص للحرارة.
1.2 — تأثير الضغط
يزيد التفاعل الأمامي عدد جزيئات الغاز من واحد إلى اثنين:
\[ \ce{C3H8(g) <=> C3H6(g) + H2(g)}. \]
وفقًا لمبدأ لوشاتيليه، ترجّح زيادة الضغط عن طريق الانضغاط عند ثبوت درجة الحرارة الطرف الذي يحتوي على عدد أقل من جزيئات الغاز. ولذلك ينزاح الاتزان نحو البروبان، مما يقلل كمية البروبين عند الاتزان.
ضع علامة عند مبدأ لوشاتيليه.
1.3 — الإشارات الديناميكية الحرارية بعد تغيير درجة الحرارة
من 1.1،
\[ \Delta H>0. \]
عند درجة حرارة الاتزان الابتدائية \(T_0\)،
\[ \Delta G(T_0)=\Delta H-T_0\Delta S=0. \]
ومن ثم،
\[ \Delta S(T_0)=\frac{\Delta H}{T_0}>0, \]
وهذا يتفق مع زيادة عدد الجزيئات الغازية.
عند ثبوت الضغوط الجزئية،
\[ \left(\frac{\partial\Delta G}{\partial T}\right)_{\{p_i\}} =-\Delta S<0. \]
وبالتالي، فإن تغيير درجة الحرارة عن درجة حرارة الاتزان الابتدائية يعطي:
| تغير درجة الحرارة | \(\Delta H\) | \(\Delta S\) | \(\Delta G\) |
|---|---|---|---|
| درجة حرارة أقل | + | + | + |
| درجة حرارة أعلى | + | + | − |
ضع علامة في الصفين الخامس والسادس. تصف هذه الإشارات الاضطراب الناتج عن تغيير درجة الحرارة عند الضغوط الجزئية المحددة. وبمجرد أن يصل التركيب إلى حالة اتزانه الجديدة، تعود طاقة غيبس للتفاعل إلى الصفر.
1.4 — ثابتا سرعة الاختزال والأكسدة
التفاعل الكلي الموزون لنزع الهيدروجين التأكسدي هو
\[ \ce{2 C3H8(g) + O2(g) -> 2 C3H6(g) + 2 H2O(g)}. \]
يجب أن تستخدم التعابير الحركية الضغط الجزئي للبروبان، \(p_{\ce{C3H8}}\)، حيثما تصف استهلاك البروبان.
بالنسبة إلى مزيج البروبان والأكسجين المذكور، مع إهمال النواتج،
\[ p_{\ce{O2}}=1.00-0.10=0.90\ \mathrm{bar}. \]
معدل الاستهلاك التجريبي هو
\[ r=k_{\mathrm{obs}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0} =(0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}) \frac{0.10\ \mathrm{bar}}{1\ \mathrm{bar}} =6.2\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}. \]
نعرّف الحدين الحركيين المرجّحين بالضغط
\[ a=k_{\mathrm{red}}\frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}, \qquad b=k_{\mathrm{ox}}\frac{p_{\ce{O2}}}{p^0}. \]
عندئذ يصبح تعبير السرعة المعطى
\[ r=\frac{1}{1/a+1/b}=\frac{ab}{a+b}. \]
بتفسير المقارنة المذكورة بين السرعتين على أنها \(b=10^5a\)،
\[ r=\frac{a}{1+10^{-5}} =\frac{k_{\mathrm{red}}}{1+10^{-5}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p^0}. \]
تعطي المقارنة مع التعبير التجريبي
\[ k_{\mathrm{red}} =k_{\mathrm{obs}}(1+10^{-5}) \approx\boxed{0.062\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \]
يُستنتج ثابت الأكسدة من مقارنة السرعتين نفسها:
\[ \frac{k_{\mathrm{ox}}p_{\ce{O2}}} {k_{\mathrm{red}}p_{\ce{C3H8}}}=10^5, \]
ومن ثم
\[ \begin{aligned} k_{\mathrm{ox}} &=10^5k_{\mathrm{red}} \frac{p_{\ce{C3H8}}}{p_{\ce{O2}}}\\ &=10^5(0.06200062) \frac{0.10}{0.90}\ \mathrm{mol\,s^{-1}}\\ &\approx\boxed{6.9\times10^2\ \mathrm{mol\,s^{-1}}}. \end{aligned} \]
لكلا الثابتين وحدة \(\mathrm{mol\,s^{-1}}\)، لأن عوامل الضغط في هذه التعابير عديمة الأبعاد.
1.5 — كسر المواقع المختزلة في الحالة المستقرة
التفاعلات الثلاثة المعطاة هي
\[ \ce{C3H8(g) + O(s) ->[k_1] C3H6(g) + H2O(g) + red^{*}} \qquad (1) \]
\[ \ce{C3H6(g) + 9 O(s) ->[k_2] 3 CO2(g) + 3 H2O(g) + 9 red^{*}} \qquad (2) \]
\[ \ce{O2(g) + 2 red^{*} ->[k_3] 2 O(s)} \qquad (3) \]
هنا يشير \(\ce{O(s)}\) إلى ذرة أكسجين على سطح الحفاز، كما عُرّفت في السؤال.
في كل مرة تحدث فيها الخطوة 1 تُستهلك ذرة أكسجين سطحية واحدة؛ وتستهلك الخطوة 2 تسع ذرات؛ وتوفّر الخطوة 3 ذرتين. ولذلك يتطلب ثبات عدد ذرات الأكسجين السطحية
\[ 2r_3-r_1-9r_2=0. \]
باستخدام قوانين السرعة المعطاة، مع تصحيح الرمز السفلي للبروبان،
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = k_1p_{\ce{C3H8}}(1-\beta) +9k_2p_{\ce{C3H6}}(1-\beta). \]
نستخرج العامل المشترك من الطرف الأيمن:
\[ 2k_3p_{\ce{O2}}\beta = \left(k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}\right)(1-\beta). \]
بحل المعادلة لإيجاد \(\beta\)،
\[ \boxed{ \beta= \frac{k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}} {k_1p_{\ce{C3H8}}+9k_2p_{\ce{C3H6}}+2k_3p_{\ce{O2}}} }. \]
ينشأ العاملان 9 و2 من موازنة ذرات الأكسجين. وتبقى أسس الضغط والتغطية السطحية كما أُعطيت صراحةً في السؤال.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.