ВсОШ 2025, 11 класс, №11-5
Свет в помощь току
Синтез аммиака из природных азотсодержащих веществ считается актуальной задачей современной «зелёной энергетики». Один из возможных способов – фотоэлектрохимическое восстановление молекулярного азота. Энергия света, поглощаемого катодом, позволяет уменьшить напряжение источника тока, необходимое для осуществления термодинамически невыгодной или очень медленной реакции, например получения аммиака из азота при комнатной температуре. Для электролиза насыщенных водных растворов азота использовали фотокатод из полупроводникового материала , представляющего собой бинарное вещество. Фотокатод готовили методом электроосаждения на рабочем электроде. При электролизе мМ водного раствора в присутствии сульфата натрия и мМ п-бензохинона на электроде образовалась плёнка неорганического вещества , содержащего % и % . При выдерживании плёнки в М растворе при комнатной температуре образовалось вещество , состоящее из трёх элементов, которое в результате обжига при °С превратилось в вещество .
Вопрос . а) Установите формулы веществ , и (для приведите расчёт).
б) Напишите уравнения реакций образования и .
в) Объясните роль п-бензохинона в электроосаждении , запишите уравнение соответствующей полуреакции.
Формула .
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Формула .
Формула .
Вопрос 2. Для фотоэлектролиза использовали фотокатод и платиновый анод. Электролизу при освещении подвергали насыщенный водный раствор при = , при этом наблюдалось образование . Напишите уравнения катодной и анодной полуреакций и суммарное уравнение фотоэлектролиза. Какой(ие) ещё газ(ы) может(гут) образоваться на катоде? Подтвердите полуреакцией.
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Вопрос . а) Константа Генри для азота в воде при температуре эксперимента равна
Па. Рассчитайте молярную концентрацию азота в насыщенном водном растворе при давлении воздуха над раствором атм.
б) Больше или меньше электродный потенциал восстановления азота в насыщенном растворе, чем стандартный потенциал? Насколько? Объясните и приведите расчёт. Примите, что остальные частицы находятся в стандартном
состоянии.
Молярная концентрация , моль/л ( знака после запятой).
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Вопрос . В симуляторах солнечного излучения используют ксеноновую лампу и ставят световые фильтры, которые пропускают длины волн, соответствующие спектру солнечного излучения, падающего под определенным углом к поверхности. При каком угле падения (относительно вертикали) интенсивность света в раза меньше максимальной, которая достигается, когда Солнце находится в зените?
Угол падения к вертикали, градусы (до десятых).
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Вопрос . а) Фотокатод все время электролиза облучали модельным солнечным светом (средняя длина волны нм) мощностью мВт, в результате образовалось
мкг аммиака. Эффективный квантовый выход составил %. Сколько времени длился электролиз?
б) Фотоэлектролиз проводили при постоянном токе. Выход аммиака по току составил %. Какова была сила тока в цепи?
Продолжительность, с (до десятков).
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Сила тока, мА (до сотых).
Вопрос 6. Полуреакция восстановления начинается с диссоциативной адсорбции на поверхности электрода:
При каких условиях (соотношении констант скорости, скоростей и т. д.) суммарная реакция будет иметь первый порядок по концентрации азота в растворе? Аргументируйте с выкладками.
Справочные данные: Закон Генри: = – мольная доля газа в растворе, – константа Генри) Постоянная Фарадея: = Кл/моль
Уравнение Нернста: .
Энергия моля квантов света с длиной волны λ: =
Эффективный квантовый выход: .
Выход по току: .
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
. а) n(Cu) : n(S) = : = : .
M(X) = / = г/моль, что соответствует основному сульфату (вещество . – , – .
б)
в) При электроосаждении восстанавливается не , а п-бензохинон, при этом среда становится слабощелочной, что способствует образованию основного сульфата:
. Катод: + + + Анод: – + Суммарное уравнение:
+ + Конкурирующая полуреакция на катоде с образованием газа – восстановление воды: + +
. а) Мольная доля азота = / = / = . В одном литре воды: = = моль, = = моль.
Потенциал в насыщенном растворе меньше стандартного на В. Засчитывалось также решение, в котором учитывается = М = . В этом случае уравнение Нернста имеет вид
. Пусть интенсивность солнечного света равна . При вертикальном падении весь свет достигает поверхности. Если свет такой же интенсивности падает под углом θ к вертикали, интенсивность света, достигшего поверхности, равна θ. По условию, θ = , откуда θ = .
. При синтезе одной молекулы аммиака из азота расходуются электрона.
а) = / = моль, = / = / = моль = = = Дж/моль = = = = с ч б) = / = / = моль
. Необходимо: медленная диссоциация, << и констант скорости последующих стадий; Степень заполнения поверхности азотом должна быть прямо пропорциональна концентрации – это имеет место при низкой концентрации, когда степень заполнения поверхности мала. При условии диссоциация на поверхности является лимитирующей стадией, и ее скорость определяет скорость всего процесса в целом. А условие гарантирует пропорциональность скорости концентрации азота в растворе.