Một nhà máy sản xuất urea sử dụng quy trình Haber-Bosch để sản xuất ammonia: N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) (∗). Giai đoạn sản xuất khí hydrogen bằng phản ứng của khí methane và hơi nước được thực hiện theo phương trình hóa học (1) như sau:
CH4(g) + H2O(g) → CO(g) + 3H2(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):
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) (2)
Xét các phản ứng ở điều kiện chuẩn và hiệu suất chuyển hóa của methane ở phản ứng (1) là 95%. Biết 84% lượng nhiệt tỏa ra từ phản ứng (2) được cung cấp cho phản ứng (1) và các giá trị nhiệt tạo thành của các chất ở điều kiện chuẩn được cho trong bảng sau:
| Chất | CH4(g) | CO2(g) | CO(g) | H2O(g) | NH3(g) |
| ΔfH°298 (kJ/mol) | -74,6 | -393,5 | -110,5 | -241,8 | -45,9 |
Nhờ chu trình khép kín nên coi gần như toàn bộ N2, H2 sẽ chuyển hóa thành NH3. Cho các phát biểu:
a) Để cân bằng hoá học (∗) chuyển dịch theo chiều thuận thì cần tăng áp suất, giảm nhiệt độ và thêm chất xúc tác.
b) Biến thiên enthalpy của phản ứng (1) là 205,9 kJ.
c) Methane là thành phần chính trong khí thiên nhiên.
d) Nếu dùng 2,23 tấn khí methane thì sản xuất được 1,70 tấn NH3 trong giai đoạn trên (kết quả làm tròn đến hàng phần trăm).
(a) Sai, việc thêm chất xúc tác làm hệ nhanh đạt đến trạng thái cân bằng (nhờ việc tăng tốc độ cả phản ứng thuận và nghịch với số lần như nhau). Việc làm này không ảnh hưởng đến thành phần lúc cân bằng.
(∗) có chiều thuận giảm số phân tử khí nên cần tăng áp suất, (∗) có chiều thuận tỏa nhiệt nên cần giảm nhiệt độ đến mức phù hợp.
(b) Đúng, ΔrH°298 (1) = -110,5 – (-74,6 – 241,8) = 205,9 kJ
(c) Đúng, CH4 chiếm phần lớn trong khí thiên nhiên, ngoài ra còn có lượng nhỏ alkane khác, N2, O2, CO2…
(d) Sai
ΔrH°298 (2) = -393,5 – 241,8.2 – (-74,6) = -802,5 kJ
mCH4(1) = x tấn; mCH4(2) = y tấn —> x + y = 2,23
Quá trình trao đổi nhiệt: 84%.802,5.y/16 = 95%.205,9.x/16
—> x = 1,72845; y = 0,50155
—> mH2 = 95%.3.2x/16 = 0,61576 tấn
—> mNH3 = 0,61576.2.17/(2.3) = 3,49 tấn