Номер 627, страница 115 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

627. При получении водорода вначале водяной пар пропускают над раскалённым коксом. В результате реакции образуются оксид углерода(II) и водород. Затем к смеси добавляют новую порцию пара и пропускают её при повышенной температуре над катализатором, в результате этого оксид углерода(II) реагирует с водой с образованием водорода и оксида углерода(IV). Выход водорода и оксида углерода(II) на первой стадии процесса равен 85,0 %, на второй стадии выход водорода составляет 95,0 %. Водород какой максимальной массы можно получить при действии избытка воды на кокс массой 4,00 т с массовой долей углерода 94,0 %?

Дано:

$m(\text{кокс}) = 4,00 \text{ т}$

$\omega(\text{C}) = 94,0 \% = 0,94$

$\eta_1 = 85,0 \% = 0,85$

$\eta_2 = 95,0 \% = 0,95$

$m(\text{кокс}) = 4,00 \text{ т} = 4000 \text{ кг} = 4 \cdot 10^6 \text{ г}$

Найти:

$m(\text{H}_2) - ?$

Решение:

Процесс получения водорода протекает в две стадии.

1. Уравнение реакции первой стадии (взаимодействие раскалённого кокса с водяным паром):

$C + H_2O \rightarrow CO + H_2$

2. Уравнение реакции второй стадии (каталитическая конверсия оксида углерода(II)):

$CO + H_2O \xrightarrow{kat, t} CO_2 + H_2$

Сначала рассчитаем массу чистого углерода в коксе:

$m(C) = m(\text{кокс}) \cdot \omega(C) = 4 \cdot 10^6 \text{ г} \cdot 0,94 = 3,76 \cdot 10^6 \text{ г}$

Найдем количество вещества углерода. Молярная масса углерода $M(C) = 12 \text{ г/моль}$.

$n(C) = \frac{m(C)}{M(C)} = \frac{3,76 \cdot 10^6 \text{ г}}{12 \text{ г/моль}} \approx 313333,33 \text{ моль}$

На первой стадии из углерода образуются водород и оксид углерода(II). Согласно уравнению реакции $C + H_2O \rightarrow CO + H_2$, из 1 моль углерода теоретически должен получиться 1 моль водорода и 1 моль оксида углерода(II).

$n_{\text{теор.1}}(H_2) = n(C) \approx 313333,33 \text{ моль}$

$n_{\text{теор.}}(CO) = n(C) \approx 313333,33 \text{ моль}$

С учетом выхода реакции на первой стадии ($\eta_1 = 85,0 \%$), практическое количество полученного водорода и оксида углерода(II) составит:

$n_{\text{практ.1}}(H_2) = n_{\text{теор.1}}(H_2) \cdot \eta_1 \approx 313333,33 \text{ моль} \cdot 0,85 \approx 266333,33 \text{ моль}$

$n_{\text{практ.}}(CO) = n_{\text{теор.}}(CO) \cdot \eta_1 \approx 313333,33 \text{ моль} \cdot 0,85 \approx 266333,33 \text{ моль}$

На второй стадии полученный оксид углерода(II) реагирует с водой с образованием дополнительного количества водорода. Согласно уравнению реакции $CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2$, из 1 моль $CO$ теоретически образуется 1 моль $H_2$.

$n_{\text{теор.2}}(H_2) = n_{\text{практ.}}(CO) \approx 266333,33 \text{ моль}$

С учетом выхода реакции на второй стадии ($\eta_2 = 95,0 \%$), практическое количество водорода, полученного на этой стадии, равно:

$n_{\text{практ.2}}(H_2) = n_{\text{теор.2}}(H_2) \cdot \eta_2 \approx 266333,33 \text{ моль} \cdot 0,95 \approx 253016,67 \text{ моль}$

Общее количество вещества водорода, полученного в двух стадиях, равно сумме количеств водорода, полученных на каждой стадии:

$n_{\text{общ.}}(H_2) = n_{\text{практ.1}}(H_2) + n_{\text{практ.2}}(H_2) \approx 266333,33 \text{ моль} + 253016,67 \text{ моль} = 519350 \text{ моль}$

Теперь можно рассчитать массу полученного водорода. Молярная масса водорода $M(H_2) \approx 2 \text{ г/моль}$.

$m(H_2) = n_{\text{общ.}}(H_2) \cdot M(H_2) = 519350 \text{ моль} \cdot 2 \text{ г/моль} = 1038700 \text{ г}$

Переведем массу в тонны и округлим до трех значащих цифр, как в исходных данных:

$1038700 \text{ г} = 1038,7 \text{ кг} \approx 1,04 \text{ т}$

Ответ: максимальная масса водорода, которую можно получить, составляет 1,04 т.