Zadanie 28 — rozwiązanie, matura chemii maj 2023, PR

Treść zadania

Fosgen to silnie trujący związek o wzorze COCl₂. W reakcjach fosgenu z alkoholami otrzymuje się odpowiednie estry kwasu węglowego, a w procesach polikondensacji z udziałem fosgenu powstają poliwęglany — szeroko stosowane tworzywa zastępujące szkło. Substratami do otrzymywania fosgenu są tlenek węgla(II) i chlor. W mieszaninie tych gazów zachodzi — pod wpływem światła — odwracalna reakcja opisana równaniem:

$CO (g) + Cl_{2} (g) ⇌ COCl_{2} (g)$

Zadanie 28. (0–2)

Do reaktora o pojemności 4,0 dm³ wprowadzono gazowe substraty: 0,40 mol CO i 0,20 mol Cl₂. Gdy w temperaturze T ustaliła się równowaga, stwierdzono, że przereagowało 80% chloru.

Oblicz stężeniową stałą równowagi syntezy fosgenu w temperaturze T.

Obliczenia: ............

Źródło: arkusz CKE MCHP-R0-100-2305. Otwórz oryginalny PDF

Rozwiązanie

Krok 1. Przereagowało: n(Cl₂) = 0,80 · 0,20 mol = 0,16 mol.

Krok 2. Stan równowagi (stechiometria 1 : 1 : 1):

n(CO) = 0,40 − 0,16 = 0,24 mol
n(Cl₂) = 0,20 − 0,16 = 0,04 mol
n(COCl₂) = 0,16 mol

Krok 3. Stężenia (V = 4,0 dm³): [CO] = 0,060 mol·dm⁻³; [Cl₂] = 0,010 mol·dm⁻³; [COCl₂] = 0,040 mol·dm⁻³.

Krok 4.

$K_{c} = \frac{[ COCl _{2} ]}{[ CO ] \cdot [ Cl _{2} ]} = \frac{0 , 040}{0 , 060 \cdot 0 , 010} = 66, 67 \approx 67$

Odpowiedź: $K_{c} \approx 67$ (zasady oceniania CKE podają wynik bez jednostki; błędna jednostka kosztuje 1 pkt).

Typowy błąd / pułapka

Błąd: liczenie 80% od ilości CO zamiast od chloru — w treści przereagowało 80% chloru.
Stechiometria 1 : 1 : 1 — każdy mol Cl₂, który przereagował, zużywa 1 mol CO i daje 1 mol fosgenu.
Błąd: wstawianie do wyrażenia na Kc liczby moli zamiast stężeń molowych (tu V = 4,0 dm³, więc wynik byłby inny).
Rachunek: 0,060 · 0,010 = 6,0·10⁻⁴, a nie 6,0·10⁻³.

Strona arkusza CKE z trescia zadania

Zadanie 28 - chemia 2023 PR — Strona arkusza CKE 2023 PR chemia - zadanie 28. Na podstawie: CKE 2023 Oryginalny PDF CKE, str. 24

Rozwiazanie

Krok 1. Rownanie reakcji syntezy fosgenu

Fosgen (COCl2) powstaje z tlenku wegla(II) i chloru w reakcji odwracalnej:

CO_{(g)} + Cl_{2 (g)} ⇌ COCl_{2 (g)}

Stechiometria 1 : 1 : 1 — kazdy mol Cl2, ktory przereagowal, zuzywa 1 mol CO i tworzy 1 mol COCl2.

Krok 2. Ile moli Cl2 przereagowalo

Z tresci zadania: przereagowalo 80 % chloru, czyli

n_{Cl_{2}, przer.} = 0, 80 \cdot 0, 20 mol = 0, 16 mol

Krok 3. Bilans molowy w stanie rownowagi

Reagent	n poczatkowe [mol]	zmiana Δn [mol]	n w rownowadze [mol]
CO	0,40	-0,16	0,24
Cl2	0,20	-0,16	0,04
COCl2	0	+0,16	0,16

Krok 4. Stezenia molowe w rownowadze

Objetosc reaktora V = 4,0 dm^3:

[CO] = \frac{0 , 24 mol}{4 , 0 d m ^{3}} = 0, 060 mol/d m^{3}

[Cl_{2}] = \frac{0 , 04 mol}{4 , 0 d m ^{3}} = 0, 010 mol/d m^{3}

[COCl_{2}] = \frac{0 , 16 mol}{4 , 0 d m ^{3}} = 0, 040 mol/d m^{3}

Krok 5. Obliczenie stalej rownowagi Kc

Definicja stalej rownowagi dla reakcji CO + Cl2 ⇌ COCl2:

K_{c} = \frac{[ COCl _{2} ]}{[ CO ] \cdot [ Cl _{2} ]}

Podstawiamy wartosci stezen rownowagowych:

K_{c} = \frac{0 , 040}{0 , 060 \cdot 0 , 010} = \frac{0 , 040}{6 , 0 \cdot 1 0 ^{- 4}} \approx 66, 7

Odpowiedz

K_{c} \approx 66, 7 (ok. 67)

Uwaga: zasady oceniania CKE 2023 podają wynik $K = 66, 67 ≅ 67$ bez jednostki; podanie wyniku z błędną jednostką obniża ocenę do 1 pkt.