Задача II-2. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАНОЛА

6 баллов

Промышленное производство метанола (CH₃OH) основано на реакции:

Водород и CO получают по реакции:

На рисунке 1 показаны три основные части установки по производству метанола: "реформер" для получения смеси водород + монооксид углерода, собственно "реактор" и "сепаратор" для отделения метанола от CO и H₂. На схеме отмечены четыре положения: , , и .

>

Рисунок 1.

Поток метанола в положении равен: n[CH₃OH, ] = 1000 моль^. с^–1. В данной установке степень превращения CO в метанол составляет 2/3. Непрореагировавшие CO и H₂ в положении используются для нагревания реформера. Считайте, что реакция в реформере идет до конца.

II-2-1 Рассчитайте потоки CO и H₂ в положении .
II-2-2 Рассчитайте потоки CO и H₂ в положении .
II-2-3 Рассчитайте потоки CH₄ и H₂O, необходимые в положении .
II-2-4 В положении все вещества газообразные. Рассчитайте парциальные давления CO, H₂ и CH₃OH (в МПа) в положении , используя уравнение: 

где n_i и p_i – соответственно, поток и парциальное давление вещества i, n_tot – общий поток всех веществ в данном положении, p – общее давление в системе (p = 10 МПа)

p[CO, ] = ____________________

p[H₂, ] = _____________________

p[CH₃OH, ] = _________________

В реакторе большого размера устанавливается равновесие. Равновесные парциальные давления веществ в положении связаны соотношением:

где p₀ – стандартное давление (0.1 МПа), K_p – функция температуры, график которой приведен на рисунке 2 (вертикальная ось дана в логарифмическом масштабе).

Рисунок 2.

II-2-5 Рассчитайте значение K_p и по графику определите, при какой температуре T_g достигается такое значение.

Ответ дан в формате PDF K_p = _______________
Ответ дан в формате PDF T = _______________

Ваши расчеты:

Задача II-3. АРАМИДЫ - ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

6 баллов

Ароматические полиамиды (арамиды) – это высокопрочные, высокоэффективные полимерные волокна, которые находят широкое применение. В задаче рассматривается арамид PPTA, цепи которого упорядоченно связанны между собой и образуют регулярную листовую структуру.

II-3-1 Изобразите фрагмент структуры листа (содержащий три цепи).
Ответ дан в формате PDF

При конденсации равных количеств двух мономеров средняя длина цепи равна ; степень превращения, которая определяется как доля прореагировавших функциональных групп, равна p; общее число цепей равно N_t и общее начальное число молекул мономеров до реакции равно U₀.

Равновесие поликонденсации можно полностью описать уравнением:

где C обозначает любую группу –COOH, A – любую группу –NH₂ и Am – любую амидную группу.

II-3-2 Используя введенные обозначения, рассчитайте степень превращения, необходимую для того, чтобы получить среднюю длину цепи 500.

Ваши расчеты:

II-3-3 Для синтеза PPTA предложено 4 способа. Какие из реакций пойдут на практике? Отметьте правильный ответ (ответы).

II-3-4 Другой тип арамида можно получить при нагревании 4-аминобензойной кислоты.

(a) Изобразите фрагмент структуры этого арамида с четырьмя звеньями (n = 4)

(b) Рассчитайте среднюю длину цепи при равновесии (реакция проводится в закрытом сосуде).
Константа равновесия K = 576.

Ответ дан в формате PDF = ______________
Ваши расчеты:

Клеточные мембраны представляют собой сложные нековалентные ансамбли различных молекул. Мембраны проявляют функциональную активность. Мембраны состоят в основном из липидов и белков. Фосфолипиды являются одними из наиболее важных компонентов мембран. В качестве примера фосфолипида рассмотрим соединение A.

При диспергировании в воде (выше некоторой критической концентрации) соединение A образует замкнутые бислойные структуры, называемые липосомами. Липосомы часто используют в качестве модели более сложных клеточных мембран. Липосомы – агрегаты сферической формы. В липосоме полярные или заряженные группы "головы" липида контактируют с водой, в то время как алкильные "хвосты" образуют гидрофобный слой. В такой бислойной структуре присутствует внутренняя водная область.

Синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ), в структуре которых присутствует два алкильных "хвоста", также образуют замкнутые бислойные ансамбли, сходные с липосомами. Ансамбли из синтетических ПАВ мы будем называть везикулами. В качестве примера рассмотрим везикулу из хлорида ди-н-додецилдиметиламмония (DDAC).

III-1-1 (a) Сколько стереоизомеров возможно для соединения A? Ответ дан в формате PDF
(b) Сколько стереоизомеров возможно для соединения B? Ответ дан в формате PDF

При синтезе соединения A его предшественником является ацетонид C, получаемый из глицерина. Ниже приведена часть ¹H-ЯМР спектра соединения C.

III-1-2 Укажите номер сигнала в ¹H-ЯМР спектре, который соответствует протону H_c ? Ответ дан в формате PDF

H_c : ________

Бислой липосомы характеризуется параметрами:
V – объем углеводородного "хвоста"
a₀ - площадь поперечного сечения "головы" фосфолипида в агрегате
l_c- длина углеводородного "хвоста".

Хорошим приближением для неразветвленных алкильных "хвостов", содержащих n атомов углерода, являются следующие выражения:
V = (27.4 + 26.99^. n)^. 10^-3 нм³
l_c = (0.154 + 0.1265^. n) нм

Для очень больших значений n взаимодействие между гидрофобными "хвостами" преобладает над отталкиванием групп "головы".

III-1-3 Рассчитайте предел, к которому стремится площадь поперечного сечения "головы" при очень больших значениях n.
Ответ дан в формате PDF
Ваши вычисления:

Везикулы, образованные из DDAC (выше критической концентрации везикулообразования, ККВ), катализируют реакцию мономолекулярного декарбоксилирования 6-нитро-бензизоксазол-3-карбоксилата (6-NBIC).

В воде при 25 єC константа скорости реакции k₁ = 3.1^. 10^–6 c^-1. При определенной концентрации DDAC, обозначаемой c₁, 6-NBIC становится полностью связанным с везикулами. При концентрации c₁ константа скорости реакции k₁ = 2.1^. 10^–3 c^–1.

III-1-4 Нарисуйте схематически график зависимости k₁ от [DDAC] в диапазоне концентраций [DDAC] от 0 до 3^. c₁.
Ответ дан в формате PDF

III-1-5 Основной причиной того, что везикулы DDAC эффективно катализируют реакцию декарбоксилирования 6-NBIC, является:

• то, что декарбоксилирование катализируется ионами Cl^– , связанными с поверхностью везикул.

• эффективная потеря гидратного слоя вокруг карбоксилатных групп молекул 6-NBIC , связанных с везикулами.

• сильное связывание CO₂ во внутренней полости везикулы.

• более сильное связывание продукта реакции с везикулами, по сравнению с исходным 6-NBIC.

Отметьте правильный Ответ дан в формате PDF.