Chemistry Labs

Bài 2

Cây cầu Đan Mạch – Thụy Điển. Hệ thống hầm và cầu nối Copenhagen với Malmö dùng bê tông và thép; bài này xét các phản ứng liên quan đến sản xuất và phá hủy vật liệu. Bê tông gồm xi măng, nước, cát và đá. Xi măng chủ yếu là canxi silicat và aluminat; ở công đoạn cuối người ta thêm thạch cao CaSOX4 ⋅ 2 HX2O\ce{CaSO4.2H2O} để cải thiện đông cứng. Nhiệt độ cao có thể tạo hemihydrat không mong muốn: CaSOX4 ⋅ 2 HX2O(s)→CaSOX4 ⋅ 12 HX2O(s)+32 HX2O(g)\ce{CaSO4.2H2O(s) -> CaSO4.1/2H2O(s) + 3/2 H2O(g)}. Dữ liệu nhiệt động ở 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C}, 1.00 bar — CaSOX4 ⋅ 2 HX2O(s)\ce{CaSO4.2H2O(s)}: ΔHf∘=−2021.0\Delta H_f^\circ = -2021.0 kJ mol−1^{-1}, S∘=194.0S^\circ = 194.0 J K−1^{-1} mol−1^{-1}; CaSOX4 ⋅ 12 HX2O(s)\ce{CaSO4.1/2H2O(s)}: −1575.0-1575.0, 130.5130.5; HX2O(g)\ce{H2O(g)}: −241.8-241.8 kJ mol−1^{-1}, 188.6188.6 J K−1^{-1} mol−1^{-1}. R=8.314R = 8.314 J mol−1^{-1} K−1^{-1}; 0 ∘C=273.150\ ^\circ\mathrm{C} = 273.15 K. (2.1) Tính ΔH∘\Delta H^\circ khi chuyển 1.00 kg CaSOX4 ⋅ 2 HX2O(s)\ce{CaSO4.2H2O(s)} thành hemihydrat; phản ứng thu nhiệt hay tỏa nhiệt? (2.2) Tính áp suất hơi nước cân bằng (bar) trong bình kín chứa CaSOX4 ⋅ 2 HX2O(s)\ce{CaSO4.2H2O(s)}, CaSOX4 ⋅ 12 HX2O(s)\ce{CaSO4.1/2H2O(s)} và HX2O(g)\ce{H2O(g)} ở 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C}. (2.3) Tính nhiệt độ để áp suất hơi nước cân bằng bằng 1.00 bar, giả sử ΔH∘\Delta H^\circ và ΔS∘\Delta S^\circ không đổi theo nhiệt độ. Ăn mòn sắt gồm các bán phản ứng Fe(s)→FeX2+(aq)+2 eX−\ce{Fe(s) -> Fe^{2+}(aq) + 2e-} và OX2(g)+2 HX2O(l)+4 eX−→4 OHX−(aq)\ce{O2(g) + 2H2O(l) + 4e- -> 4OH-(aq)}. Xét pin Fe(s)∣FeX2+(aq)∣∣OHX−(aq), OX2(g)∣Pt(s)\ce{Fe(s)|Fe^{2+}(aq)||OH-(aq),O2(g)|Pt(s)} ở 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C}, E∘(FeX2+/Fe)=−0.44E^\circ(\ce{Fe^{2+}/Fe}) = -0.44 V, E∘(OX2/OHX−)=+0.40E^\circ(\ce{O2/OH-}) = +0.40 V; RTln⁡10/F=0.05916RT\ln10/F = 0.05916 V, F=96485F = 96485 C mol−1^{-1}. (2.4) Tính sức điện động chuẩn. (2.5) Viết phản ứng tổng khi pin phóng điện. (2.6) Tính hằng số cân bằng ở 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C}. (2.7) Pin hoạt động 24 h ở dòng 0.12 A trong điều kiện chuẩn; tính khối lượng Fe chuyển thành FeX2+\ce{Fe^{2+}}. (2.8) Tính EE khi [FeX2+]=0.015[\ce{Fe^{2+}}] = 0.015 M, pH nửa pin phải 9.00, p(OX2)=0.700p(\ce{O2}) = 0.700 bar.
Bước 5/5: Khối lượng bị ăn mòn và sức điện động
← TrướcTiếp →
Q=It=0.12×86400=10368 C;m(Fe)=Q2F×55.85=3.0 g;E=0.84−0.059164log⁡0.015 (10−5)40.700=1.19 VQ = It = 0.12\times86400 = 10368\ \text{C};\quad m(\ce{Fe}) = \frac{Q}{2F}\times55.85 = 3.0\ \text{g};\quad E = 0.84 - \frac{0.05916}{4}\log\frac{0.015\,(10^{-5})^4}{0.700} = 1.19\ \text{V}
Phân tích

Điện lượng Q=10368Q = 10368 C tương ứng Q/F=0.1075Q/F = 0.1075 mol electron; mỗi Fe mất 2 e−^- nên m(Fe)=0.1075/2×55.85=3.0m(\ce{Fe}) = 0.1075/2\times55.85 = 3.0 g. Ở (2.8), pH 9.00 cho [OHX−]=10−5[\ce{OH-}] = 10^{-5} M; phương trình Nernst E=E∘−0.059164log⁡[FeX2+][OHX−]4p(OX2)E = E^\circ - \frac{0.05916}{4}\log\frac{[\ce{Fe^{2+}}][\ce{OH-}]^4}{p(\ce{O2})} cho 1.19 V.

Lỗi hay gặp. Biểu thức Q dùng cả [FeX2+][\ce{Fe^{2+}}] và [OHX−]4[\ce{OH-}]^4; đừng quên pH cho [OHX−][\ce{OH-}] chứ không phải [HX+][\ce{H+}] ở nửa pin phải.