Natriumsulfat som tørkemiddel og solenergilager

Kalkulator

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Vannfritt natriumsulfat, $N a_{2} S O_{4}$ , har stor evne til å absorbere vann og brukes i industrien til å fjerne fuktighet fra legemidler. Som tørkemiddel er forbindelsen også verdifull i produksjon av papir, tekstiler og næringsmidler. Saltet kan produseres gjennom ulike reaksjoner, se tabell 1.

Tabell 1: Dannelse av vannfritt natriumsulfat

	Reaksjonsentalpi $Δ H$ (kJ/mol)
$2 N a C l (s) + H_{2} S O_{4} (l) \to N a_{2} S O_{4} (s) + 2 H C l (g)$	$67,3$
$4 N a C l (s) + 2 S O_{2} (g) + O_{2} (g) + 2 H_{2} O (g) \to 4 H C l (g) + 2 N a_{2} S O_{4} (s)$	$- 416,2$
$2 N a (s) + H_{2} S O_{4} (l) \to N a_{2} S O_{4} (s) + H_{2} (g)$	$- 570,5$
$2 N a O H (s) + H_{2} S O_{4} (l) \to N a_{2} S O_{4} (s) + 2 H_{2} O (g)$	$- 202,9$

Natriumsulfat-dekahydrat, $N a_{2} S O_{4} \cdot 10 H_{2} O$ , kan brukes til å lagre solenergi. $N a_{2} S O_{4} \cdot 10 H_{2} O$ dekomponerer allerede ved $32,4 ° C$ . Oppvarmingen kan skje ved hjelp av solvarme. Når temperaturen synker under $32,4 ° C$ , vil stoffet krystallisere tilbake til $N a_{2} S O_{4} \cdot 10 H_{2} O (s)$ :

N a_{2} S O_{4} (s) + 10 H_{2} O (l) \to N a_{2} S O_{4} \cdot 10 H_{2} O (s) Δ H = - 81,5 k J / m o l

Tabell 3. Andre relevante data ved $T = 298 K$ .

Tabell over NaCl(s), H2SO4(l), Na2SO4(s), Na2SO4·10H2O(s), HCl(g), SO2(g), O2(g), H2O(g), H2O(l), Na(s), H2(g) og NaOH(s) med faresymboler, standard dannelsesentalpi i kJ/mol og standard entropi i J/(K·mol)

Skriv en kjemifaglig tekst som tar utgangspunkt i informasjonen om natriumsulfat i teksten og tabell 2 og 3. Du skal bruke kjemikompetansen din til å gjøre rede for og drøfte ett eller flere av punktene nedenfor:

Forklar hvordan bruk av $N a_{2} S O_{4}$ kan bidra til å øke renheten i synteser og produkter. Ta gjerne utgangspunkt i forsøk du selv har gjort.
Gjør nødvendige beregninger, og finn Gibbs’ fri energi, $Δ G$ , når $1,0 k g$ av saltet $N a_{2} S O_{4} \cdot 10 H_{2} O$ krystalliserer.
Ta for deg to eller flere av reaksjonsligningene i tabell 1. Gjør nødvendige beregninger, og vurder hvordan temperaturen påvirker spontaniteten til reaksjonene.
Diskuter de ulike produksjonsmetodene av saltet med hensyn til atomeffektivitet, risiko og eventuelt andre relevante prinsipper for grønn kjemi.

Svaret ditt bør inneholde reaksjonsligninger, utregninger og figurer der dette er relevant. Svaret ditt kan gjerne være på omtrent 250 ord, men det er det faglige innholdet og ikke lengden på teksten som blir vurdert.

Fasit

Krystallisering av 1,0 kg dekahydrat: $Δ S = - 256,7 J / (m o l \cdot K)$ , $Δ G = - 5,0 k J / m o l$ , totalt $Δ G \approx - 15,5 k J$ .
Krystalliseringen er spontan bare ved lav temperatur. Over ca. $317 K$ går den motsatt vei og lagrer solvarme.
Reaksjon 1 (NaCl) har $Δ G = + 1,1 k J / m o l$ ved 298 K og blir spontan over ca. $303 K$ .
Reaksjon 3 (Na) har $Δ H < 0$ og $Δ S > 0$ og er spontan ved alle temperaturer.

LøsningsforslagKI-generert

Jeg beregner $Δ G$ når natriumsulfat-dekahydrat krystalliserer. Deretter drøfter jeg hvordan temperaturen påvirker spontaniteten, også for to av produksjonsreaksjonene.

N a_{2} S O_{4} (s) + 10 H_{2} O (l) \to N a_{2} S O_{4} \cdot 10 H_{2} O (s)

Med entropiverdiene i tabell 3 blir

Δ S = 592,9 - 149,6 - 10 \cdot 70,0 = - 256,7 J / (m o l \cdot K)

Ved $298 K$ gir det

Δ G = Δ H - T Δ S = - 81,5 - 298 \cdot (- 0,2567) = - 5,0 k J / m o l

Dekahydratet har molar masse $322,2 g / m o l$ . $1,0 k g$ tilsvarer $3,10 m o l$ . Da blir $Δ G = 3,10 \cdot (- 5,0) \approx - 15,5 k J$ .

Krystalliseringen er altså spontan ved romtemperatur. Samtidig frigjøres $3,10 \cdot 81,5 \approx 253 k J$ varme. Både $Δ H$ og $Δ S$ er negative. Vannmolekylene bindes i et ordnet krystallgitter, og entropien synker. Leddet $- T Δ S$ er positivt og vokser med temperaturen. Over $T = Δ H / Δ S = 317 K$ blir $Δ G$ positiv. Da dekomponerer saltet og tar opp solvarme. Beregningen gir $44 ° C$ , mens oppgitt temperatur er $32,4 ° C$ . Vi antar at $Δ H$ og $Δ S$ ikke endres med temperaturen, så svaret er et overslag.

Produksjonsreaksjonene viser andre mønstre. Reaksjon 1, med natriumklorid og svovelsyre, er endoterm. Den danner to mol gass, så $Δ S = + 222,3 J / (m o l \cdot K)$ . Ved $298 K$ er $Δ G = 67,3 - 298 \cdot 0,2223 = + 1,1 k J / m o l$ . Den blir spontan over $67,3 / 0,2223 = 303 K$ , altså ved svak oppvarming.

Reaksjon 3, med natrium, er eksoterm og danner hydrogengass. Her er $Δ S = + 20,6 J / (m o l \cdot K)$ og $Δ G = - 577 k J / m o l$ . Når $Δ H < 0$ og $Δ S > 0$ , er $Δ G$ negativ ved alle temperaturer. Temperaturen påvirker bare hvor fort reaksjonen går.

Sensorveiledning

20 %: Klarer å hente informasjon fra oppgaveteksten som er relevant for valgte kulepunkt(er). Svaret gjenspeiler en delvis riktig forståelse av noe av det kjemifaglige innholdet i oppgaveteksten.

40 %: Klarer å hente informasjon fra oppgaveteksten som er relevant for valgte kulepunkt(er). Bruker informasjonen til å svare delvis riktig på ett eller flere av kulepunktene.

60 %: Det vises egen kjemiforståelse ut over oppgaveteksten i besvarelsen av valgte kulepunkt(er). Viser noen kjemifaglig begrunnede resonnementer. Eventuelle reaksjonslikninger og beregninger i forklaringen er stort sett korrekte.

80 % og mer: Valgte kulepunkt(er) er besvart med en godt strukturert tekst med tydelige argumenter og mer komplekse resonnementer. Informasjon i oppgaven og/eller egen kunnskap brukes selvstendig i presise forklaringer og begrunnelser. Kandidaten bruker korrekte reaksjonslikninger og beregninger til å støtte resonnementene.

Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Kjemi 2 V2025. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: Tabeller og formler i kjemi

Oppgavedata

Hentet fra: Kjemi 2 V2025, del 2, oppgave 9
Del: Del 2, alle hjelpemidler — les om hjelpemidler
Hjelpemidler: Kalkulator
CAS
Graftegner og regneark
Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kategori: 3
Vanskegrad: 3
Temaer: Termodynamikk, Grønn kjemi

Natriumsulfat som tørkemiddel og solenergilager

Innstillinger

Utseende

Oppgaver og visning

Utskrift

Synkronisering

Sync på tvers av enheter

Natriumsulfat som tørkemiddel og solenergilager

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Forstå oppgaven med en KI

Tastatursnarveier

Navigasjon

I oppgave

Natriumsulfat som tørkemiddel og solenergilager

Natriumsulfat som tørkemiddel og solenergilager

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Temaer