Zadanie 4.
Treść
Reakcja syntezy amoniaku przebiega zgodnie z równaniem:
$\ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)}$
W temperaturze $T$ i pod ciśnieniem $p$ do syntezy amoniaku użyto 8,0 dm3 mieszaniny azotu i wodoru, w której objętość azotu stanowiła 25%. Stwierdzono, że w wyniku reakcji otrzymano 5,0 dm3 mieszaniny gazów w stanie równowagi (wszystkie gazy odmierzono w tych samych warunkach).
Oblicz wydajność reakcji syntezy amoniaku w opisanych warunkach. Wynik zapisz w procentach.
Pokaż odpowiedź
Wymagania określone w podstawie programowej
II. Rozumowanie i zastosowanie nabytej wiedzy do rozwiązywania problemów. Zdający: 5) wykorzystuje wiedzę i dostępne informacje do rozwiązywania problemów chemicznych […]; 7) wykonuje obliczenia dotyczące praw chemicznych.
I. Atomy, cząsteczki i stechiometria chemiczna. Zdający: 6) dokonuje interpretacji jakościowej i ilościowej równania reakcji w ujęciu molowym, masowym i objętościowym (dla gazów); 7) wykonuje obliczenia, z uwzględnieniem wydajności reakcji, dotyczące: liczby moli […] po zmieszaniu substratów w stosunku stechiometrycznym i niestechiometrycznym.
Zasady oceniania 2 pkt – zastosowanie poprawnej metody, poprawne wykonanie obliczeń i podanie wyniku w procentach objętościowych. 1 pkt – zastosowanie poprawnej metody, ale popełnienie błędów rachunkowych prowadzących do błędnego wyniku liczbowego i/lub niepodanie wyniku w procentach ALBO – poprawne obliczenie wartości objętości amoniaku w równowagowej mieszaninie gazów ALBO – poprawne obliczenie niewiadomej zdefiniowanej w rozwiązaniu – ustalenie zależności. 0 pkt – odpowiedź niespełniająca powyższych kryteriów albo brak rozwiązania.
Przykładowe rozwiązanie
$8\ \text{dm}^3 - 100\%\ \text{(dotyczy mieszaniny } \ce{N2} \text{ i } \ce{H2}\text{)}$
$x - 25\% \Rightarrow x = 2\ \text{dm}^3\ \ce{N2}$
$8\ \text{dm}^3 - 2\ \text{dm}^3 = 6\ \text{dm}^3\ \ce{H2}$
Z równania reakcji wynika, że $\ce{N2}$ i $\ce{H2}$ zmieszano w ilościach stechiometrycznych.
$\ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)}$
$2\ \text{dm}^3 \quad\ 6\ \text{dm}^3 \quad\ 4\ \text{dm}^3$ – tyle powstałoby $\ce{NH3}$, gdyby reakcja przebiegła z wydajnością równą 100%.
Z treści zadania wynika, że otrzymano 5 dm3 równowagowej mieszaniny gazów, czyli azotu, wodoru i amoniaku.
$\ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)}$
$(2-0{,}5y)\ \text{dm}^3 \quad\ (6-1{,}5y)\ \text{dm}^3 \quad\ y\ \text{dm}^3$
$(2-0{,}5y) + (6-1{,}5y) + y = 5 \Rightarrow y = 3\ \text{dm}^3\ \ce{NH3}$
$4\ \text{dm}^3\ \ce{NH3} - 100\%$
$3\ \text{dm}^3\ \ce{NH3} - z \Rightarrow z = \mathbf{75\%}$