Tiêu đề 31 - 42 De thi IChO 2017.pdf ✅

Tạp chí Olympiad Hóa học • 8/2017 Olympiad Hóa học Quốc tế 2017 • 31 OLYMPIAD HÓA HỌC QUỐC TẾ 2017 Bài thi lí thuyết Dịch giả: El Cielo. Hiệu đính: Đỗ Văn Thanh Nhân Bài 1: Sản xuất propene sử dụng các hệ xúc tác dị thể Propene, hay propylene, là một trong những hóa chất giá trị nhất của nền công nghiệp hóa dầu Thái Lan và trên cả thế giới. Một ví dụ về ứng dụng thương mại của propene là sản xuất polypropylene (PP). Phần A Propene có thể được tổng hợp qua phản ứng dehydrogen hóa propane khi có mặt xúc tác dị thể. Tuy nhiên, phản ứng này không khả thi về mặt kinh tế do những tính chất nhiệt động của nó. Hãy dựa vào các dữ kiện nhiệt động sau đây: Hlk(C=C) = 1,77 Hlk(C-C), Hlk(H-H) = 1,05 Hlk(C-H), Hlk(C-H) = 1,19 Hlk(C-C) trong đó Hliên kết là enthalpy năng lượng liên kết trung bình của các liên kết hóa học, hãy trả lời các câu hỏi sau: 1-A1) Xác định biến thiên enthalpy của phản ứng dehydrogen hóa trực tiếp propane và trình bày chi tiết các phép tính và kết quả để dưới dạng hàm của Hliên kết(C-C). 1-A2) Với phản ứng dehydrogen hóa ở trên, việc tăng áp suất bên ngoài khi nhiệt độ không đổi không làm tăng hiệu suất của propene. Định luật hoặc nguyên lí nào giải thích hiện tượng này tốt nhất? a) Định luật Boyle b) Định luật Charles c) Định luật Dalton d) Định luật Raoult e) Nguyên lí Le Chatelier 1-A3) Sau khi phản ứng dehydrogen hóa đạt tới cân bằng, sự thay đổi nhiệt độ sẽ làm nhiễu loạn cân bằng của hệ khi áp suất riêng phần của các cấu tử được giữ nguyên. Chọn (các) tập hợp dấu của các biến nhiệt động phù hợp với sự thay đổi. ∆H ∆S ∆G T* ◯ - + + thấp hơn ◯ - + - cao hơn ◯ - - + thấp hơn ◯ - - - cao hơn ◯ + + + thấp hơn ◯ + + - cao hơn ◯ + - + thấp hơn ◯ + - - cao hơn ◯ không có tập hợp nào chính xác *So với nhiệt độ ban đầu ở áp suất riêng phần tương tự. Phần B Một phương án hiệu quả hơn để sản xuất propene theo quy mô lớn là oxid hóa-dehydrogen hóa (ODH) với các xúc tác rắn, như các vanadium oxide, khi có mặt khí oxygen phân tử. Phương pháp này đang có triển vọng dùng trong công nghiệp sản xuất propene hơn phương pháp dehydrogen hóa trực tiếp. 1-B) Tốc độ tiêu thụ propane toàn phần là Trong đó kred và kox là hằng số tốc độ của phản ứng khử xúc tác oxide kim loại bởi propane và phản ứng oxid hóa xúc tác bởi oxygen phân tử. Áp suất chuẩn 1 bar được biểu diễn bởi po . Tốc độ phản ứng oxid hóa xúc tác được phát hiện là nhanh gấp 100.000 lần tốc độ oxid hóa propane, và tốc độ thực nghiệm ở 600 K được biểu diễn theo: , trong đó kobs là hằng số tốc độ quan sát được (0,062 mol s-1). Nếu lò phản ứng chứa xúc tác trên được duy trì ở áp suất tổng là 1 bar với propane và oxygen., xác định giá trị của kred và kox khi áp suất riêng phần của propane là 0,10 bar. (Giả sử rằng áp suất riêng phần của propene không đáng kể.) Phần C Xúc tác oxide kim loại chứa các nguyên tử oxygen trên bề mặt đóng vai trò như các tâm hoạt động với quá trình ODH. Một trong những cơ chế được đề xuất cho ODH khi có mặt xúc tác được cho dưới 3 8 3 8 2 C H o o red C H ox O 1 r p p k p k p = ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠ 3 8 3 8 C H C H obs o p r k p =

Tạp chí Olympiad Hóa học • 8/2017 Olympiad Hóa học Quốc tế 2017 • 33 định được hằng số tốc độ phản ứng bậc 1. Xác định đồ thị nào biểu diễn sự oxid hóa của dạng diphenylmethanol không-chứa-deuterium, còn đồ thị nào của dạng chứa-deuterium. 2-A7) Sử dụng đồ thị ở ý 2-A6, xác định kCH (theo phút-1), kCD (theo phút-1) và kCH/kCD của phản ứng này. 2-A8) Cơ chế phản ứng được đề xuất như sau Dựa vào kết quả ở ý 2-A6 và 2-A7, hãy xác định giai đoạn nào quyết định tốc độ phản ứng? Bài 3: Nhiệt động học của các phản ứng hóa học Phần A Methanol thương mại được sản xuất từ hỗn hợp của khí carbon monoxide và hydrogen trên hệ xúc tác zinc oxide/copper oxide: CO(g) + 2H2(g) → CH3OH(g) Enthalpy tạo thành chuẩn (∆Ho f) và entropy tuyệt đối (So ) của mỗi khí ở nhiệt độ phòng (298 K), áp suất chuẩn 1 bar được cho trong bảng sau: 3-A1) Tính ∆Ho , ∆S o , ∆Go và Kp của phản ứng ở 298 K. [Nếu bạn không tính được Kp (298 K) ở ý 3-A1, hãy sử dụng giá trị Kp = 9.105 cho các câu hỏi sau, nếu cần.] 3-A2) Một lò phản ứng thương mại hoạt động ở nhiệt độ 600 K. Tính Kp ở nhiệt độ này. (Giả sử rằng ∆Ho và ∆S o không phụ thuộc vào nhiệt độ.) [Nếu bạn không tính được Kp (600 K) ở ý 3-A2, hãy sử dụng giá trị Kp = 1,0.10-2 cho các câu hỏi sau, nếu cần.] 3-A3) Sản xuất methanol trong một lò phản ứng công nghiệp được tiến hành với một hỗn hợp H2 và CO2 theo tỉ lệ mol 2:1. Phần mol của methanol trong khí thoát ra của lò phản ứng là 0,18. Giả sử cân bằng được thiết lập trong hỗn hợp này, tính áp suất tổng của lò phản ứng ở nhiệt độ 600 K. Phần B 3-B) Xét hệ kín sau đây ở 300 K. Hệ chứa hai khoang, được ngăn cách bởi một van đóng, có thể tích không đáng kể. Khoang A và khoang B lần lượt chứa 0,100 mol khí argon và 0,200 mol khí nitrogen ở cùng áp suất P. Thể tích của hai khoang là VA, VB và các khí được xem là khí lí tưởng. Sau khi mở van từ từ, hệ đạt tới cân bằng. Giả sử rằng hỗn hợp khí cũng có tính chất khí lí tưởng, tính biến thiên năng lượng tự do Gibbs trong quá trình trộn lẫn ở 300 K. Đồ thị 2a Đồ thị 2b Khí ∆Ho f (kJ mol-1) S o (J K-1 mol-1) CO(g) -111 198 H2(g) 0 131 CH3OH(g) -201 240