PAU Química 2022 · Setembre · Sèrie 3 · Exercici 2

2. L’amoníac té moltes aplicacions tant domèstiques com industrials, entre les quals una de les més esteses és la fabricació d’adobs. L’obtenció d’amoníac per mitjà de l’anomenat mètode de Haber-Bosch fou el primer procés químic industrial a utilitzar l’alta pressió per a una reacció química. L’amoníac s’obté en la reacció directa entre els gasos nitrogen i hidrogen a pressions extremament altes (entre 200 i 400 atm) i a temperatures d’entre N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g)  ΔH° (a 298 K) < 0 200 i 600 °C. a) En un reactor de 25,0 L a 440 °C s’introdueixen 5,0 mol d’hidrogen i 2,0 mol de ni- trogen. Quan el sistema arriba a l’equilibri s’obtenen 50,0 g d’amoníac. Calculeu els valors de la constant d’equilibri en concentracions (Kc) i la constant d’equilibri en pressions (Kp) a aquesta temperatura. [1,25 punts] b) Per a aconseguir el màxim rendiment en l’obtenció de l’amoníac, el procés de Haber- Bosch es realitza a pressió elevada i es va eliminant l’amoníac del reactor a mesura que s’obté. Justifiqueu per què es realitzen aquestes dues operacions. Com afectarà un increment de temperatura al rendiment de la reacció i a la constant d’equilibri en concentracions (Kc)? [1,25 punts] Dades:  Masses atòmiques relatives: N = 14,0; H = 1,0. Constant universal dels gasos ideals: R = 8,314 J K–1 mol–1 = 0,082 atm L K–1 mol–1.

Pregunta 2a Reacció: N2 (g) + 3 H2 (g) ⇄ 2 NH3 (g) ΔH° (a 298 K) < 0 Càlcul de Kp Càlcul de la concentració de totes les espècies en l’equilibri: N2 (g) + 3 H2 (g) ⇄ 2 NH3 (g) mols a l’inici 2 5 -- mol en l’equilibri 2 – x 5 – 3x 2x [0,30 punts] Massa molecular (NH3) = 14 + 3 x 1 = 17 g/mol 1 mol NH3 mols NH3 50 g = 2,9412 mol NH3 17 g NH3 2,9412 mol NH3 = 2x x1,4706 mol [0,15 punts] Càlcul de les concentracions en equilibri (en M) de cada compost (V = 25 L): Concentració de N2 en l’equilibri = (2 – 1,4706) mol / 25 L = 0,021176 M Concentració de H2 en l’equilibri = (5 – 3 x 1,4706) mol / 25 L = 0,023528 M Concentració de NH3 en l’equilibri = 2,9412 mol / 25 L = 0,117648 M [0,10 punts] Càlcul de la constant d’equilibri (Kc): [NH3]2 0,1176482 0,021176 · (0,023528)3 = 5,02 x 104 𝐾𝑐= [N2] [H2]3 = [0,40 punts]  Kc = 5,02 x 104 Càlcul de Kp  Relació entre Kc i Kp: 𝐾𝑝= 𝐾𝑐 (𝑅𝑇)∆𝑛 [0,10 punts] R: constant universal dels gasos ideals; T: temperatura en K Δn: increment del nombre de m […]