Đề bài
Người ta có thể sản xuất amoniac để điều chế ure bằng cách chuyển hóa có xúc tác một hỗn hợp không khí, hơi nước và khí metan [thành phần chính của khí thiên nhiên].
Phản ứng điều chế \[{H_2}\]và \[C{O_2}\]: \[C{H_4} + 2{H_2}O \to C{O_2} + 4{H_2}\] [1]
Phản ứng thu \[{N_2}\][từ không khí] và \[C{O_2}\]: \[C{H_4} + 2{O_2} \to C{O_2} + 2{H_2}O\] [2]
Phản ứng tổng hợp \[N{H_3}\]:
Để sản xuất khí amoniac, nếu lấy 841,7 \[{m^3}\]không khí [chứa 21,03% \[{O_2}\], 78,02 \[{N_2}\], còn lại là khí hiếm], thì cần phải lấy bao nhiêu \[{m^3}\]khí metan và bao nhiêu \[{m^3}\]hơi nước để có đủ lượng \[{N_2}\]và \[{H_2}\]theo tỉ lệ 1:3 về thể tích dùng cho phản ứng tổng hợp amoniac. Giả thiết các phản ứng [1] và [2] đều xảy ra hoàn thành và các thể tích khi được đo ở cùng điều kiện.
Lời giải chi tiết
Thể tích khí \[{O_2}\]và khí \[{N_2}\]trong 841,7 \[{m^3}\]không khí:
\[{V_{{O_2}}} = \frac{{841,7.21,03}}{{100}} = 177,01[{m^3}];\]
\[{V_{{N_2}}} = \frac{{841,7.78,02}}{{100}} = 656,69[{m^3}]\]
\[{V_{{H_2}}}\]cần = \[3.{V_{{N_2}}} = 3.656,69 = 1970,08[{m^3}]\]
Từ phương trình [1]: \[C{H_4} + 2{H_2}O \to C{O_2} + 4{H_2}\]
\[1{m^3} \to 2{m^3} \to 1{m^3} \to 4{m^3}\]
? \[ \leftarrow \]? \[ \leftarrow \] 1970,08 \[{m^3}\]
\[{V_{C{H_4}}} = \frac{{1970,08}}{4} = 492,52[{m^3}]\]
\[{V_{{H_2}O}} = 2.492,52 = 985,04[{m^3}]\]
Từ phương trình [2]: \[C{H_4} + 2{O_2} \to C{O_2} + 2{H_2}O\]
\[1{m^3} \to 2{m^3}\]
? \[ \leftarrow \]177,01 \[{m^3}\] \[ \to \]177,01 \[{m^3}\]
\[{V_{C{H_4}}} = \frac{{177,01}}{2} = 88,5[{m^3}]\]
Vậy thể tích \[C{H_4}\]và \[{H_2}\]tổng cộng cần:
\[{V_{C{H_4}}} = 492,52 + 88m5 = 581,02[{m^3}];\]
\[{V_{{H_2}O}} = 985,04 - 177,01 = 808,03[{m^3}]\]