Способы поглощения углекислого газа
Многих (но не всех) людей на Земле беспокоит растущее содержание углекислого газа в атмосфере. Чтобы с этим бороться, надо или сокращать эмиссию, или поглощать избыток. Рассмотрим второй способ.
1. Десятки миллиардов тонн CO****2 ежегодно поглощаются мировым океаном. Концентрация газа в воде прямо пропорциональна его парциальному давлению. В настоящее время мольная доля CO****2 атмосфере составляет 400 м. д. (миллионных долей). Как и на сколько изменится pH мирового океана, если эта доля увеличится до 500 м. д.? Считайте, что содержащиеся в морской воде соли не влияют на равновесие диссоциации угольной кислоты.
Подсказка. Для ответа на этот вопрос значение константы кислотности не требуется.
Ответ
Равновесная концентрация CO2 в водном растворе практически равна исходной, потому что угольная кислота – очень слабый электролит. Исходная концентрация пропорциональна давлению CO2. А давление, по закону Дальтона, пропорционально мольной доле x(CO2). Отсюда следует, что
pH уменьшится всего на 0,05, однако в глобальном масштабе даже такое небольшое изменение кислотности может привести к серьезным изменениям в природных экосистемах.
2. а) Хорошими адсорбентами углекислого газа служат цеолиты – природные или синтетические алюмосиликаты натрия и кальция. В одном из цеолитов – равное число атомов натрия и алюминия, кальция нет, а содержание диоксида кремния равно 61,7 % по массе. Установите формулу цеолита, если дополнительно известно, что он не содержит воды.
б) Часть ионов натрия в цеолите заместили ионами кальция, при этом масса изменилась на 1,12 %. Увеличилась или уменьшилась масса? Сколько процентов ионов натрия заместилось?
Указание. В расчетах используйте целые относительные атомные массы.
Ответ
а) Запишем формулу цеолита, выделив в явном виде диоксид кремния: NaxAlxO2x(SiO2)y. Составим пропорцию для массовых долей:
б) Возьмем 1 моль Na5Al5Si11O32 массой 1070 г и заместим x моль ионов Na+ на x/2 моль ионов Ca2+, получим цеолит массой г.
Заместилось 4/5, или 80 % ионов Na+.
3) Зависимость количества адсорбированного газа nадс от давления газа P хорошо описывается уравнением Ленгмюра:
где K – константа равновесия между веществом в газовой фазе и адсорбированным веществом, а nmax – предельное количество вещества, которое может поглотить данный адсорбент. Один грамм синтетического цеолита поглощает 2,4 ммоль при давлении 10 кПа и 3,6 ммоль при давлении 30 кПа. Сколько килограммов цеолита минимально необходимо для поглощения 1 кг CO2?
Ответ
Составим систему двух уравнений для адcорбции CO2 при разных давлениях:
Решая систему (например, поделив второе уравнение на первое), находим: K = 0,1 кПа–1, nmax = 4,8 ммоль/г цеолита = 4,8 моль CO2/кг цеолита. Минимальная масса соответствует максимальному насыщению цеолита углекислым газом при большом давлении последнего. Расчет – через nmax.
4) Адсорбция всегда сопровождается выделением теплоты. Как зависят от температуры свойства цеолита:
а) скорость адсорбции газа;
б) количество адсорбированного газа при фиксированном давлении;
в) предельное количество адсорбированного газа?
Обязательно дайте объяснение в каждом случае, можно кратко. Считайте, что структура цеолита при нагревании не изменяется, а уравнение Ленгмюра справедливо при любых обстоятельствах.
Ответ
а) Скорость любого процесса, в том числе и адсорбции, увеличивается с ростом температуры (исключения очень редки). Если бы структура менялась при нагревании, как, например, происходит с белками, скорость могла бы уменьшаться, но, по условию, этого не происходит.
б) Адсорбция идет с выделением теплоты, поэтому константа равновесия адсорбции K уменьшается с ростом температуры и, следовательно, уменьшается количество адсорбированного газа nадс (KP/(1+KP) – убывающая функция K при P = const).
в) При большом давлении, P >> 1/K, nадс nmax, которое не зависит от K и, следовательно, не зависит от температуры.