Tornar a la portadaFísica i Química · 4t ESO B · Canviar d'assignatura
Començar gratis
ESO 4tB · Física i Química
El canvi · Les equacions químiques

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.

Et convé dominar: L'equació química i el seu ajust (3r d'ESO)
Et convé dominar: Percentatges (1r d'ESO)

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?

Planta química: un dipòsit de matèria primera alimenta un reactor; d'aquest surten el producte cap a uns barrils i una emissió de CO₂ per una xemeneia. reactor CO₂ matèria primera producte emissió equació ajustada → calcula les tres fletxes
Practica★☆☆Sense començar
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: $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$.

  1. a) Assenyala el reactiu i els productes de la reacció.
  2. 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?
Resoldre
Practica★☆☆Sense començar
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: $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\ \text{CO} \rightarrow 2\ \text{Fe} + 3\ \text{CO}_2$.

  1. a) Assenyala els reactius i els productes.
  2. 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?
Resoldre

Quant de CO2 emet cremar un combustible fòssil

Esquema del càlcul d'emissions: 120 kg de carboni pur, en multiplicar-los per 44/12, generen aproximadament 440 kg de diòxid de carboni; el requadre de CO₂ és unes 3,67 vegades més gran que el de carboni. C 120 kg de C × 44/12 ≈ × 3,67 CO₂ ≈ 440 kg de CO₂

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 $\text{CO}_2$.

Practica★☆☆Sense començar
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: $\text{C} = 12\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$).

Resoldre
Practica★★☆Sense començar
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: $\text{C} = 12\ \text{u}$; $\text{O} = 16\ \text{u}$).

Resoldre
Practica★★★Sense començar
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 $\text{CO}_2$.

  1. a) Calcula els grams de $\text{CO}_2$ emesos per cada gram de combustible en els tres casos (arrodoneix a un decimal si cal).
  2. b) Ordena'ls de menys a més contaminant per gram.
  3. 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.
Resoldre

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?

Barra que compara els 90 kg realment obtinguts amb els 100 kg teòrics de l'equació ajustada, i càlcul del rendiment: 90 / 100 × 100 = 90 %. Teòric (equació): 100 kg 100 % 90 kg reals 90 % rendiment = 90 / 100 × 100 = 90 %
Practica★☆☆Sense començar
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 $90\ \%$».

  1. 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.
  2. b) Raona per què a la pràctica el rendiment d'un procés industrial mai arriba exactament al $100\ \%$.
Resoldre
Practica★★★Sense començar
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 $60\ \%$.

  1. a) Calcula la massa teòrica d'amoníac que s'obtindria amb rendiment total.
  2. b) Calcula la massa que realment es produeix.
  3. 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.
Resoldre

Fixar nitrogen i produir hidrogen verd

Practica★☆☆Sense començar
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.

  1. a) Quants mols d'amoníac s'obtenen, com a màxim, a partir de $1\ \text{mol}$ de nitrogen?
  2. 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.
Resoldre
Practica★☆☆Sense començar
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: $2\ \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\ \text{H}_2 + \text{O}_2$.

  1. a) Quina massa d'hidrogen s'obté en descompondre $2\ \text{mol}$ d'aigua? (massa molar: $\text{H}_2 = 2\ \text{g/mol}$).
  2. b) Explica quina condició ha de complir l'electricitat utilitzada perquè aquest hidrogen es pugui anomenar «verd».
Resoldre
Practica★★☆Sense començar
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:

  1. a) La massa d'oxigen que es consumeix.
  2. b) La massa de vapor d'aigua que es forma.

(masses molars: $\text{H}_2 = 2\ \text{g/mol}$; $\text{O}_2 = 32\ \text{g/mol}$; $\text{H}_2\text{O} = 18\ \text{g/mol}$).

Resoldre

Depurar gasos, capturar CO2 i els límits d'aquestes tecnologies

Desulfuració de gasos: el fum amb molècules de SO₂ entra per un conducte, travessa un llit de pedres de calcària i surt com a fum net sense SO₂. fum amb SO₂ llit de calcària fum net SO₂ + CaCO₃ → CaSO₃ + CO₂ sofre (S) oxigen (O)

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.

Practica★☆☆Sense començar
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: $\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2$.

  1. a) Calcula quina massa de diòxid de sofre es forma en cremar $32\ \text{g}$ de sofre (masses molars: $\text{S} = 32\ \text{g/mol}$; $\text{SO}_2 = 64\ \text{g/mol}$).
  2. b) Anomena el problema ambiental associat a les emissions de $\text{SO}_2$.
Resoldre
Practica★★☆Sense començar
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: $\text{SO}_2 = 64\ \text{g/mol}$; $\text{CaCO}_3 = 100\ \text{g/mol}$).

Resoldre
Practica★★★Sense començar
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.

  1. a) Explica per què millorar l'aïllament del forn i l'eficiència dels seus cremadors redueix només una de les dues fonts.
  2. 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?
Resoldre
Practica★★★Sense començar
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 $\text{CaO}$).

  1. a) Calcula quina massa de calç faria falta per capturar aquests $220\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$.
  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?
  3. 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.
Resoldre

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.

Resum

Veure tots els exercicis d'aquest apartat