Các nhiên liệu hóa thạch thường chứa sulfur với hàm lượng khác nhau (0,05 - 6,0% với dầu thô, 0,5 - 3% với than và khoảng 10 ppm với khí thiên nhiên, về khối lượng). Đã trải qua quá trình loại bỏ sulfur khỏi các nhiên liệu hóa thạch nhưng cần sulfur còn lại (tối đa là 10 ppm sulfur trong xăng và dầu diesel theo tiêu chuẩn Châu Âu V) vẫn gây ra nhiều vấn đề về sản phẩm cháy của nó chứa SO_2, là chất làm ô nhiễm không khí chính. Người ta đã ước tính tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu hàng năm khoảng 4,8 \cdot 10^{22} J, trong đó 30,6% đến từ các sản phẩm dầu. Lượng SO_2 sinh ra từ các sản phẩm dầu tương đương với một năm là a triệu tấn. Biết thành phần chính các sản phẩm dầu là Octane (C_8H_{18}) và hàm lượng sulfur là 8 ppm. Biết 90% năng lượng từ sự đốt cháy hoàn toàn octane được sử dụng và lượng sulfur trong dầu được chuyển hết thành SO_2. Biết 1ppm = 10^{-6}, một số giá trị năng lượng liên kết (E_b, tính theo kJ/mol) như dưới. Xác định giá trị của a. (Kết quả các phép tính trung gian không được làm tròn, chỉ kết quả cuối cùng được làm tròn tới hàng phần trăm).

😎 Cùng DOL xem qua cách giải câu này nhé!

📃 Thông tin đề bài cho:

• Tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu hằng năm: 4,8 \cdot 10^{22}\ J.

• Năng lượng đến từ các sản phẩm dầu: 30,6%.

• Thành phần chính của sản phẩm dầu coi là octane: C_8H_{18}.

• Hàm lượng sulfur trong dầu: 8 ppm.

• 90% năng lượng từ sự đốt cháy hoàn toàn octane được sử dụng.

• Sulfur chuyển hết thành SO_2.

• Năng lượng liên kết:

  • C-H: 414\ kJ/mol

  • C-C: 347\ kJ/mol

  • C=O: 799\ kJ/mol

  • O=O: 498\ kJ/mol

  • H-O: 464\ kJ/mol

❓ Hiểu câu hỏi:

• Cần tính khối lượng SO_2 sinh ra từ lượng sulfur có trong dầu.

• Muốn làm được, ta cần tính lượng octane đã bị đốt cháy dựa vào năng lượng.

• Sau đó dùng hàm lượng sulfur 8 ppm để tính lượng sulfur, rồi đổi sang lượng SO_2.

🔎 Hướng dẫn cách làm:

• Phương trình đốt cháy hoàn toàn octane là:

C_8H_{18} + \frac{25}{2}O_2 \rightarrow 8CO_2 + 9H_2O

• Trong 1 phân tử C_8H_{18} có:

  • 18 liên kết C-H

  • 7 liên kết C-C

• Khi đốt cháy 1 mol C_8H_{18}, năng lượng cần để phá vỡ liên kết là:

E_{\text{phá vỡ}} = 18 \cdot 414 + 7 \cdot 347 + \frac{25}{2} \cdot 498

E_{\text{phá vỡ}} = 16106\ kJ

• Năng lượng tỏa ra khi hình thành liên kết trong sản phẩm là:

E_{\text{hình thành}} = 8 \cdot 2 \cdot 799 + 9 \cdot 2 \cdot 464

E_{\text{hình thành}} = 21136\ kJ

• Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy 1 mol octane là:

Q = 21136 - 16106 = 5030\ kJ/mol

• Do chỉ có 90% năng lượng được sử dụng, năng lượng sử dụng được từ 1 mol octane là:

Q_{\text{sử dụng}} = 5030 \cdot 90 = 4527\ kJ/mol

• Năng lượng hằng năm đến từ các sản phẩm dầu là:

E = 4,8 \cdot 10^{22} \cdot 30,6% = 1,4688 \cdot 10^{22}\ J

• Đổi năng lượng sử dụng được từ 1 mol octane sang J:

4527\ kJ/mol = 4,527 \cdot 10^6\ J/mol

• Số mol octane cần đốt cháy là:

n_{C_8H_{18}} = \frac{1,4688 \cdot 10^{22}}{4,527 \cdot 10^6} = 3,244532803 \cdot 10^{15}\ mol

• Khối lượng octane tương ứng là:

m_{C_8H_{18}} = 3,244532803 \cdot 10^{15} \cdot 114 = 3,698767396 \cdot 10^{17}\ g

m_{C_8H_{18}} = 3,698767396 \cdot 10^{11}\ tấn

• Hàm lượng sulfur là 8 ppm, tức là:

m_S = 3,698767396 \cdot 10^{11} \cdot 8 \cdot 10^{-6} = 2,959013917 \cdot 10^6\ tấn

• Sulfur chuyển hết thành SO_2:

S + O_2 \rightarrow SO_2

• Ta có:

\frac{M_{SO_2}}{M_S} = \frac{64}{32} = 2

• Khối lượng SO_2 sinh ra là:

m_{SO_2} = 2,959013917 \cdot 10^6 \cdot 2 = 5,918027833 \cdot 10^6\ tấn

• Vậy:

a = 5,918027833

• Làm tròn đến hàng phần trăm:

a \approx 5,92

✅ Đáp án: 5,92 triệu tấn.