Đề bài

Một nhà máy sản xuất urea sử dụng quy trình Haber-Bosch : \({{\rm{N}}_2}(\;{\rm{g}}) + 3{{\rm{H}}_2}(\;{\rm{g}}) \to 2{\rm{N}}{{\rm{H}}_3}(\;{\rm{g}})\) để sản xuất ammonia. Giai đoạn sản xuất khí hydrogen bằng phản ứng của khí methane \(\left( {{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}} \right)\) và hơi nước \(\left( {{{\rm{H}}_2}{\rm{O}}} \right)\) được thực hiện theo phương trình hóa học (1) như sau:

\({\rm{C}}{{\rm{H}}_4}(\;{\rm{g}}) + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}}(\;{\rm{g}}) \to {\rm{CO}}(\;{\rm{g}}) + 3{{\rm{H}}_2}(\;{\rm{g}})\,\,\,\,(1)\)

Phản ứng (1) là phản ứng thu nhiệt mạnh. Lượng nhiệt này được cung cấp từ quá trình đốt cháy khí methane theo phương trình hóa học (2):

\({\rm{C}}{{\rm{H}}_4}(\;{\rm{g}}) + 2{{\rm{O}}_2}(\;{\rm{g}}) \to {\rm{C}}{{\rm{O}}_2}(\;{\rm{g}}) + 2{{\rm{H}}_2}{\rm{O}}(\;{\rm{g}})\,\,\,\,(2)\)

Xét các phản ứng ở điều kiện chuẩn và hiệu suất chuyển hóa của methane ở phản ứng (1) là 95%. Tính khối lượng khí methane (theo tấn, làm tròn đến hàng phần mười) cần thiết để sản xuất 3,40 tấn \({\rm{N}}{{\rm{H}}_3}(\;{\rm{g}})\) trong giai đoạn trên. Biết 84% lượng nhiệt tỏa ra từ phản ứng (2) được cung cấp cho phản ứng (1) và các giá trị nhiệt tạo thành \({\Delta _f}H_{298}^o\) của các chất ở điều kiện chuẩn được cho trong bảng sau:

Chất	\({\rm{C}}{{\rm{H}}_4}(\;{\rm{g}})\)	\({\rm{C}}{{\rm{O}}_2}(\;{\rm{g}})\)	\({\rm{CO}}({\rm{g}})\)	\({{\rm{H}}_2}{\rm{O}}({\rm{g}})\)	\({\rm{N}}{{\rm{H}}_3}(\;{\rm{g}})\)
\({\Delta _f}H_{298}^o\)	\( - 74,6\)	\( - 393,5\)	\( - 110,5\)	\( - 241,8\)	\( - 45,9\)

Phương pháp giải

Tính delta H của phản ứng (1), (2)

Lời giải của GV Loigiaihay.com

Đáp án :

n _NH3 = 3,4 : 17 = 0,2 tấn mol

n _H2 = 0,2.3:2 = 0,3 tấn mol → n _{CH4 (1)} = 0,1 tấn mol = 0,1.10⁶ mol

\(\begin{array}{l}{\Delta _r}H_{298}^o(1) = {\Delta _f}H_{298}^o(CO) - {\Delta _f}H_{298}^o({H_2}{\rm{O}}) - {\Delta _f}H_{298}^o(C{H_4})\\ =  - 110,5 - ( - 241,8) - ( - 74,6) = 205,9kJ\end{array}\)

\(\begin{array}{l}{\Delta _r}H_{298}^o(2) = {\Delta _f}H_{298}^o(C{O_2}) + 2.{\Delta _f}H_{298}^o({H_2}{\rm{O}}) - {\Delta _f}H_{298}^o(C{H_4})\\ = 110,5 + 2.( - 241,8) - ( - 74,6) =  - 802,5kJ\end{array}\)

Lượng nhiệt thu vào của phản ứng (1) khi điều chế 0,6 tấn hydrogen = \(\frac{{0,3.205,9.95\% }}{3} = 19,{5605.10^6}kJ\)

Lượng nhiệt toả ra của phản ứng (2) = \(\frac{{19,5605}}{{84\% }}{.10^6} = 23,{28.10^6}kJ\)

Số mol khí CH₄ ở phản ứng (2) = \(\frac{{23,{{28.10}^6}}}{{802,5}} = {29.10^3}mol\)

Khối lượng methane cần dùng = (0,1.10⁶ + 29.10³).16.10^-6 = 2,1 tấn

Đáp án 2,1