L'estequiometria a la indústria, el medi ambient i la societat
Quan una cimentera anuncia quantes tones de $\text{CO}_2$ reduirà, o quan es discuteix si l'«hidrogen verd» és realment net, al darrere hi ha sempre la mateixa eina: una equació química ajustada i una calculadora. L'estequiometria no s'acaba al quadern de classe; és la base amb què es dissenyen fàbriques senceres i se n'auditen els efectes sobre el planeta.
De la fàbrica al medi ambient: la mateixa equació, una altra escala
Una planta química que produeix fertilitzants compra reactius per desenes de tones; si encarrega gas natural o vapor d'aigua de més o de menys, les pèrdues econòmiques són enormes i el reactor s'atura. Com calculen els enginyers les quantitats exactes de matèries primeres i d'emissions a escala industrial?
Les fàbriques de ciment escalfen pedra calcària en grans forns: $\text{CaCO}3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}2$. a) Assenyala el reactiu i els productes de la…
Les fàbriques de ciment escalfen pedra calcària en grans forns: $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$.
- a) Assenyala el reactiu i els productes de la reacció.
- b) Explica per què una cimentera emet diòxid de carboni encara que el forn s'escalfés només amb electricitat renovable: d'on surt aquest gas?
En un alt forn, el mineral de ferro reacciona amb monòxid de carboni: $\text{Fe}2\text{O}3 + 3\ \text{CO} \rightarrow 2\ \text{Fe} + 3\ \text{CO}2$. a) Assenyala els…
En un alt forn, el mineral de ferro reacciona amb monòxid de carboni: $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\ \text{CO} \rightarrow 2\ \text{Fe} + 3\ \text{CO}_2$.
- a) Assenyala els reactius i els productes.
- b) Explica amb una frase què li fa el monòxid de carboni a l'òxid de ferro: quina substància es queda amb el seu oxigen?
Quant de CO2 emet cremar un combustible fòssil
No tots els combustibles fòssils emeten el mateix per gram cremat: depèn de la seva proporció de carboni respecte a l'hidrogen. Comparant-ne les equacions de combustió pots ordenar-los de menys a més contaminant per unitat de massa, tot i que els tres continuïn sent fonts de $\text{CO}_2$.
Una central tèrmica crema carbó, que simplificant és carboni: $\text{C} + \text{O}2 \rightarrow \text{CO}2$. Calcula quina massa de diòxid de carboni s'emet per cada…
Una central tèrmica crema carbó, que simplificant és carboni: $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$. Calcula quina massa de diòxid de carboni s'emet per cada $12\ \text{kg}$ de carboni cremats (masses atòmiques: $\text{C} = 12\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$).
En una prova, una caldera industrial crema $120\ \text{kg}$ de carbó, que pots considerar carboni pur: $\text{C} + \text{O}2 \rightarrow \text{CO}2$. Calcula, passant…
En una prova, una caldera industrial crema $120\ \text{kg}$ de carbó, que pots considerar carboni pur: $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$. Calcula, passant pels mols o per proporcions, la massa de diòxid de carboni emesa (masses atòmiques: $\text{C} = 12\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$).
No tots els combustibles fòssils embruten igual. Compara les seves emissions per gram cremat: Metà:…
No tots els combustibles fòssils embruten igual. Compara les seves emissions per gram cremat:
-
Metà: $\text{CH}_4 + 2\ \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}$; $16\ \text{g}$ de metà emeten $44\ \text{g}$ de $\text{CO}_2$.
-
Propà: $\text{C}_3\text{H}_8 + 5\ \text{O}_2 \rightarrow 3\ \text{CO}_2 + 4\ \text{H}_2\text{O}$; $44\ \text{g}$ de propà emeten $132\ \text{g}$ de $\text{CO}_2$.
-
Carbó (carboni): $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$; $12\ \text{g}$ de carboni emeten $44\ \text{g}$ de $\text{CO}_2$.
- a) Calcula els grams de $\text{CO}_2$ emesos per cada gram de combustible en els tres casos (arrodoneix a un decimal si cal).
- b) Ordena'ls de menys a més contaminant per gram.
- c) Explica, mirant la composició de cada combustible, per què el gas natural es considera el fòssil «menys brut», i aclareix si això significa que no contribueixi al canvi climàtic.
El rendiment real d'un procés industrial
Al laboratori mesures amb cura els reactius per obtenir exactament $10{,}0\ \text{g}$ de precipitat blanc, però després de filtrar i assecar el sòlid la balança només marca $8{,}5\ \text{g}$. Per què a la pràctica mai no es recull la massa exacta que prediu el càlcul sobre el paper?
El cap de producció d'una planta química diu que el seu reactor treballa «amb un rendiment del $90\ \%$». a) Explica amb les teves paraules què significa aquesta dada,…
El cap de producció d'una planta química diu que el seu reactor treballa «amb un rendiment del $90\ \%$».
- a) Explica amb les teves paraules què significa aquesta dada, pensant en la diferència entre el que prediu l'equació igualada i el que surt de debò del reactor.
- b) Raona per què a la pràctica el rendiment d'un procés industrial mai arriba exactament al $100\ \%$.
Una planta d'amoníac alimenta el seu reactor amb $140\ \text{kg}$ de nitrogen: $\text{N}2 + 3\ \text{H}2 \rightarrow 2\ \text{NH}3$. L'equació prediu que $28\ \text{g}$…
Una planta d'amoníac alimenta el seu reactor amb $140\ \text{kg}$ de nitrogen: $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightarrow 2\ \text{NH}_3$. L'equació prediu que $28\ \text{g}$ de nitrogen donen $34\ \text{g}$ d'amoníac, però el reactor treballa amb un rendiment del $60\ \%$.
- a) Calcula la massa teòrica d'amoníac que s'obtindria amb rendiment total.
- b) Calcula la massa que realment es produeix.
- c) Les plantes recirculen una vegada i una altra els gasos que no han reaccionat al reactor. Explica què aconsegueixen amb això i quina relació té amb el rendiment i amb el cost del procés.
Fixar nitrogen i produir hidrogen verd
L'amoníac que es fabrica en grans plantes, $\text{N}2 + 3\ \text{H}2 \rightarrow 2\ \text{NH}3$, és la matèria primera dels fertilitzants. a) Quants mols d'amoníac…
L'amoníac que es fabrica en grans plantes, $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightarrow 2\ \text{NH}_3$, és la matèria primera dels fertilitzants.
- a) Quants mols d'amoníac s'obtenen, com a màxim, a partir de $1\ \text{mol}$ de nitrogen?
- b) Explica per què es diu que aquesta reacció «fixa» el nitrogen de l'aire i per què és tan important per a l'agricultura.
L'anomenat hidrogen verd s'obté per electròlisi de l'aigua: $2\ \text{H}2\text{O} \rightarrow 2\ \text{H}2 + \text{O}2$. a) Quina massa d'hidrogen s'obté en descompondre…
L'anomenat hidrogen verd s'obté per electròlisi de l'aigua: $2\ \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\ \text{H}_2 + \text{O}_2$.
- a) Quina massa d'hidrogen s'obté en descompondre $2\ \text{mol}$ d'aigua? (massa molar: $\text{H}_2 = 2\ \text{g/mol}$).
- b) Explica quina condició ha de complir l'electricitat utilitzada perquè aquest hidrogen es pugui anomenar «verd».
Algunes etapes de coets cremen hidrogen líquid: $2\ \text{H}2 + \text{O}2 \rightarrow 2\ \text{H}2\text{O}$. En un assaig a terra es cremen $12\ \text{g}$ d'hidrogen.…
Algunes etapes de coets cremen hidrogen líquid: $2\ \text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{H}_2\text{O}$. En un assaig a terra es cremen $12\ \text{g}$ d'hidrogen. Calcula, passant pels mols:
- a) La massa d'oxigen que es consumeix.
- b) La massa de vapor d'aigua que es forma.
(masses molars: $\text{H}_2 = 2\ \text{g/mol}$; $\text{O}_2 = 32\ \text{g/mol}$; $\text{H}_2\text{O} = 18\ \text{g/mol}$).
Depurar gasos, capturar CO2 i els límits d'aquestes tecnologies
Una idea semblant permetria capturar directament el $\text{CO}_2$ de la xemeneia d'una cimentera fent-lo reaccionar amb calç: $\text{CO}_2 + \text{CaO} \rightarrow \text{CaCO}_3$. Però aquesta mateixa estequiometria revela un límit incòmode: si compares la massa de $\text{CO}_2$ que emet el forn amb la massa de calç que produeix (totes dues calculades amb la mateixa equació de descomposició), descobreixes que una cimentera no pot capturar totes les seves emissions usant només el seu propi producte. Caldria calç «extra», portada de fora, amb el seu propi cost i la seva pròpia petjada de carboni.
Alguns carbons porten sofre com a impuresa, que en cremar-se reacciona: $\text{S} + \text{O}2 \rightarrow \text{SO}2$. a) Calcula quina massa de diòxid de sofre es forma…
Alguns carbons porten sofre com a impuresa, que en cremar-se reacciona: $\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2$.
- a) Calcula quina massa de diòxid de sofre es forma en cremar $32\ \text{g}$ de sofre (masses molars: $\text{S} = 32\ \text{g/mol}$; $\text{SO}_2 = 64\ \text{g/mol}$).
- b) Anomena el problema ambiental associat a les emissions de $\text{SO}_2$.
Per netejar els gasos d'una central tèrmica es fa passar el fum per un llit de pedra calcària, que atrapa el diòxid de sofre:…
Per netejar els gasos d'una central tèrmica es fa passar el fum per un llit de pedra calcària, que atrapa el diòxid de sofre: $\text{SO}_2 + \text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaSO}_3 + \text{CO}_2$. La central emet $128\ \text{kg}$ de $\text{SO}_2$ al dia. Calcula, passant pels mols o per proporcions, la massa de carbonat de calci que fa falta diàriament per atrapar-lo tot (masses molars: $\text{SO}_2 = 64\ \text{g/mol}$; $\text{CaCO}_3 = 100\ \text{g/mol}$).
En la comptabilitat ambiental d'una cimentera cal distingir dues fonts de $\text{CO}2$: la reacció química de la pedra,…
En la comptabilitat ambiental d'una cimentera cal distingir dues fonts de $\text{CO}_2$: la reacció química de la pedra, $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$, que emet $44\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ per cada $56\ \text{kg}$ de calç produïda, i el combustible que es crema per escalfar el forn.
- a) Explica per què millorar l'aïllament del forn i l'eficiència dels seus cremadors redueix només una de les dues fonts.
- b) Raona què hauria de canviar per reduir l'altra font: serviria utilitzar electricitat renovable? I capturar el gas abans que surti per la xemeneia?
Una cimentera estudia capturar el $\text{CO}2$ de la seva xemeneia fent-lo reaccionar de nou amb calç: $\text{CO}2 + \text{CaO} \rightarrow \text{CaCO}3$. El seu forn…
Una cimentera estudia capturar el $\text{CO}_2$ de la seva xemeneia fent-lo reaccionar de nou amb calç: $\text{CO}_2 + \text{CaO} \rightarrow \text{CaCO}_3$. El seu forn emet $220\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ en produir $280\ \text{kg}$ de calç viva (proporció: $44\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ reaccionen amb $56\ \text{kg}$ de $\text{CaO}$).
- a) Calcula quina massa de calç faria falta per capturar aquests $220\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$.
- b) Compara el resultat amb la calç que la fàbrica produeix i explica la conclusió: pot una cimentera capturar tot el seu $\text{CO}_2$ utilitzant només el seu propi producte?
- c) Proposa quines altres sortides s'estudien per a aquest gas (altres materials que el fixin o el seu emmagatzematge) i valora breument la idea.
Torna al principi: L'hidrogen només és «verd» si l'electricitat per descompondre l'aigua per electròlisi procedeix íntegrament de fonts renovables; altrament, l'estequiometria de la central elèctrica revela que s'emet tant o més $\text{CO}_2$ indirecte del que s'evita.