Номер 10, страница 163 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

10. В системе установилось равновесие: $3\text{H}_2 + \text{N}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$. Известно, что к этому моменту прореагировало 35 % водорода и образовалось 7 моль аммиака. Определите исходную массу водорода.

*Подготовьте сообщение «Водород — топливо будущего».

Дано:

Уравнение реакции: $3H_2 + N_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

Доля прореагировавшего водорода: $\omega(H_{2, \text{прореаг.}}) = 35\% = 0.35$

Количество вещества образовавшегося аммиака: $n(NH_3) = 7 \text{ моль}$

Найти:

Исходную массу водорода: $m_{\text{исх.}}(H_2)$ - ?

Решение:

1. Найдём количество вещества водорода, которое вступило в реакцию ($n_{\text{прореаг.}}(H_2)$), исходя из количества образовавшегося аммиака. Согласно уравнению реакции, мольное соотношение водорода и аммиака составляет 3:2. $\frac{n(H_2)}{3} = \frac{n(NH_3)}{2}$

Выразим и рассчитаем количество прореагировавшего водорода: $n_{\text{прореаг.}}(H_2) = \frac{3}{2} \cdot n(NH_3) = \frac{3}{2} \cdot 7 \text{ моль} = 10.5 \text{ моль}$

2. Известно, что количество прореагировавшего водорода составляет 35% от его исходного количества ($n_{\text{исх.}}(H_2)$). Найдём исходное количество вещества водорода. $n_{\text{прореаг.}}(H_2) = 0.35 \cdot n_{\text{исх.}}(H_2)$

$n_{\text{исх.}}(H_2) = \frac{n_{\text{прореаг.}}(H_2)}{0.35} = \frac{10.5 \text{ моль}}{0.35} = 30 \text{ моль}$

3. Теперь можем рассчитать исходную массу водорода. Молярная масса водорода $M(H_2)$ составляет приблизительно $2 \text{ г/моль}$. Формула для расчёта массы: $m = n \cdot M$

$m_{\text{исх.}}(H_2) = n_{\text{исх.}}(H_2) \cdot M(H_2) = 30 \text{ моль} \cdot 2 \text{ г/моль} = 60 \text{ г}$

Ответ: исходная масса водорода равна 60 г.

*Подготовьте сообщение «Водород — топливо будущего».

Водород всё чаще называют одним из самых перспективных видов топлива для будущего, способным кардинально изменить мировую энергетику и транспорт. Эта популярность обусловлена его уникальными свойствами и потенциалом для решения глобальных экологических проблем, таких как изменение климата и загрязнение воздуха.

Принцип действия водородного топлива

Водород можно использовать для получения энергии двумя основными способами:

Сжигание в двигателях внутреннего сгорания (ДВС): Подобно бензину, водород можно сжигать в модифицированных ДВС. Этот метод не производит выбросов $CO_2$, но может приводить к образованию оксидов азота ($NO_x$) из-за высоких температур и наличия азота в воздухе.

Использование в топливных элементах: Это наиболее эффективный и экологически чистый способ. В топливном элементе водород ($H_2$) вступает в электрохимическую реакцию с кислородом ($O_2$) из воздуха. В результате реакции вырабатывается электричество для питания электродвигателя, а единственным побочным продуктом является чистая вода ($H_2O$). Химическое уравнение этого процесса: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + \text{Энергия}$

Преимущества водорода

Экологичность: При использовании в топливных элементах водород не производит парниковых газов, загрязняющих веществ или сажи. Единственный выхлоп — водяной пар.

Высокая энергоемкость: Водород обладает самой высокой энергоемкостью на единицу массы среди всех известных видов топлива (около 120 МДж/кг, что почти в 3 раза больше, чем у бензина).

Возобновляемость и доступность: Водород — самый распространенный элемент во Вселенной. Его можно получать из воды методом электролиза, используя энергию из возобновляемых источников (солнце, ветер), что делает его "зелёным" и практически неисчерпаемым ресурсом.

Универсальность: Водород может использоваться для привода автомобилей, автобусов, поездов и даже самолетов, а также для выработки электроэнергии и тепла для зданий и промышленных предприятий.

Проблемы и вызовы

Несмотря на огромный потенциал, широкому внедрению водородных технологий мешает ряд сложностей:

Производство: На сегодняшний день большая часть водорода ("серый водород") производится из ископаемого топлива (например, природного газа), что сопровождается выбросами $CO_2$. Производство "зелёного" водорода путем электролиза воды с помощью возобновляемой энергии пока остаётся дорогостоящим.

Хранение и транспортировка: Водород — очень легкий и летучий газ. Для его хранения на борту транспортного средства требуются либо баллоны высокого давления (до 700 атмосфер), либо криогенные системы для хранения в жидком виде при температуре $-253°C$. Оба способа являются сложными, дорогостоящими и энергозатратными.

Инфраструктура: Отсутствует развитая сеть водородных заправочных станций, что ограничивает использование водородного транспорта. Создание такой инфраструктуры требует огромных капиталовложений.

Безопасность: Водород легко воспламеняется в широком диапазоне концентраций в воздухе, что вызывает опасения у потребителей. Однако благодаря его высокой летучести (он быстро рассеивается в атмосфере), современные технологии хранения и использования делают водородные системы не более опасными, чем бензиновые или газовые.

Заключение

Водород является ключевым элементом для построения устойчивой и безуглеродной энергетики будущего. Хотя на пути к "водородной экономике" стоят серьезные технологические и экономические барьеры, активные научные исследования и государственная поддержка по всему миру позволяют с оптимизмом смотреть в будущее. Решение проблем производства, хранения и создания инфраструктуры сделает водород не просто альтернативой, а основой энергетической системы XXI века.