Skriftlig prøve i KemiF1 (Grundlæggende fysisk kemi) Fredag 30 Juni 2006 kl Opgave

Transkript

1 Skriftlig prøve i KemiF1 (Grundlæggende fysisk kemi) Fredag 30 Juni 2006 kl Opgave Alle nødvendige data til besvarelse af spørgsmålene i eksamensopgaven er samlet i Tabel 1. Tabel 1: Termodynamiske data ved 25 C. Kemisk forbindelse f H / kj mol 1 f G / kj mol 1 Sm/ J mol 1 K 1 C p,m J mol 1 K 1 O 2 (g) H 2 O(l) CO 2 (g) CH 3 OH(l) CH 3 OH(g) CH 4 (g) atm = kpa. Molmassen af methanol : g mol 1 ; Molmassen af H 2 O: g mol 1. Henry s lov konstanten, K H, for methan i vand ved 25 C: K H = kpa. Vands massefylde, ρ(h 2 O) ved 25 C: ρ(h 2 O) = 1.00 g/ml. Alle varmekapaciteterne i Tabel 1 kan behandles som konstante i temperaturintervallet [20 C,100 C] og alle gasser kan behandles som ideale. 1

2 I et bombekalorimeter forbrændtes g methanol, CH 3 OH(l), hvorved man bestemte en forbrændingsvarme, q r, på q r = kj for forbrænding ved sluttemperaturen 25 C (dvs. korrigeret til 25 C jævnfør øvelsesvejledningen). 1) Opskriv reaktionsligningen for forbrændingen og beregn c U og c H ved 25 C ud fra den målte forbrændingsvarme. 2) Beregn f H (CH 3 OH(l)) ved 25 C ved hjælp af resultatet fra spm. 1 og data i Tabel 1 for de øvrige komponenter i reaktionsligningen fra spm. 1. 3) Beregn methanols damptryk ved 25 C ved hjælp af data i Tabel 1. I følge Atkin s (PC(8) side 990) koger methanol ved T b = K. 4) Beregn methanols damptryk ved T = K så nøjagtigt som muligt ved hjælp af data fra Tabel 1. Hvis det beregnede damptryk afviger fra det forventede resultat ønskes en angivelse af en mulig årsag, bortset fra unøjagtigheder i de anførte værdier i Tabel 1. Nordsøgas består hovedsageligt af methan, CH 4 (g). Ved planlægningen af dens udnyttelse diskuterede man om det ikke var mere hensigtmæssig først at oxidere methan til methanol, CH 3 OH(l), før dens udnyttelse dels til opvarmning og dels som brændstof i biler. Begrundelsen var at væsken methanol er langt nemmere at transportere og den kan umiddelbart anvendes 2

3 som brændstof i f.eks. biler. 5) Beregn værdien af ligevægtkonstanten, K, ved 25 C for oxideringen af CH 4 (g) til CH 3 OH(l) ved hjælp af data fra Tabel 1. En blanding af vand og methanol udviser azeotropi for molbrøken af CH 3 OH(l) i vand, x= ) Beregn værdien af damptrykket af methan ved 1 atm med 20% (volumenprocent) indhold af oxygen og i ligevægt med en methanol-vand blanding ved den azeotrope sammensætning ved 25 C. Omdannelsen til methanol betyder at det maksimale arbejde, w max, der kan udnyttes per mol ændres ved først at omdanne methan til methanol før den udnyttes. 7) Beregn ved hjælp af data i Tabel 1 ændringen i det maksimale arbejde man kan få ud af et mol methan ved forbrænding når den først irreversibelt omdannes til methanol, dvs. uden noget nyttearbejde ved denne delproces. Ændringen ønskes udtrykkes som procentvis tab eller gevinst i forhold til det maksimale arbejde man kan få ved en direkte udnyttelse af methan ved standardtryk og 25 C. Omdannelsen af methan til methanol kan foretages ved en katalytisk oxidering. I det efterfølgende spørgsmål betragter vi CH 4 (g) i atmosfæren i ligevægt med O 2 (g) og CH 3 OH i f.eks. vanddråber. (Der ses bort fra andre mulige ligevægte. Atmosfæren, med et totaltryk på 1 atm består hovedsageligt af N 2 (g) og O 2 (g), hvor O 2 (g) har et partialtrykket på 0.2 atm) 8) Nedenfor er nævnt nogle ændringer i de forhold hvorunden oxideringen kan foretages, og du bedes svare på om disse vil påvirke ligevægten i en retning der øger eller mindsker partialtrykket af CH 4 (g), samt begrunde svaret. 3

4 1. Forøgelse af koncentrationen af vand i dråberne ved konstant temperatur og tryk. 2. Forøgelse af trykket ved at øge partialtrykket af N 2 (g) ved konstant temperatur. 3. Formindskelse af oxygentrykket til P (O 2 ) = 0.1 atm ved konstant temperatur og totaltryk (1 atm). 4. Forøgelse af temperaturen med 10 C ved ved konstant totaltryk og partialtryk af O 2. 4

5 Ved udnyttelsen af naturgasfelterne i Nordsøen pumper man havvand ned i borehuller for at presse kondensatet af kuldbrinte ud af kalklaget. Hvis f.eks. det kuldbrinteholdige lag findes på en dybde af 1 km er det nødvendigt at presse med mindst 100 atm tryk. Derved opløses noget af methanen i det indpumpede havvand. 9) Beregn hvor mange mol methan der kan opløses i 1 m 3 vand ved et tryk paa 100 atm. 5