Chất dẻo PVC điều chế từ CH4 → C2H2 → C2H3Cl → PVC: tính thể tích khí

Với sơ đồ CH4 (H = 15%) → C2H2 (H = 95%) → CH2=CHCl (H = 90%) → PVC, muốn điều chế 1 tấn PVC cần khoảng 5883 m3 khí thiên nhiên chứa 95% metan (đktc). Nếu coi khí là CH4 nguyên chất thì cần khoảng 5589 m3. Hiệu suất chung là 0,15 × 0,95 × 0,90 = 12,825%.

Chất dẻo PVC được điều chế theo sơ đồ sau: cách giải

Trả lời nhanh

Với sơ đồ CH₄ (H = 15%) → C₂H₂ (H = 95%) → CH₂=CHCl (H = 90%) → PVC, muốn điều chế 1 tấn PVC cần khoảng 5883 m³ khí thiên nhiên chứa 95% metan (đktc). Nếu coi khí là CH₄ nguyên chất thì cần khoảng 5589 m³. Hiệu suất chung là 0,15 × 0,95 × 0,90 = 12,825%.

Đề bài (dạng thường gặp)

Chất dẻo PVC được điều chế theo sơ đồ: CH₄ → C₂H₂ → CH₂=CHCl → PVC, hiệu suất các giai đoạn lần lượt là 15%, 95%, 90%. Hỏi để điều chế 1 tấn PVC cần bao nhiêu m³ khí thiên nhiên (đktc), biết metan chiếm 95% thể tích khí thiên nhiên?

Lưu ý: số liệu trong đề đã được trình bày lại theo dạng phổ biến nhất của bài này. Nếu đề của em có số khác, cứ giữ nguyên các bước dưới đây và thay số.

Các phương trình hoá học

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂ (1500°C, làm lạnh nhanh)
C₂H₂ + HCl → CH₂=CHCl (xúc tác HgCl₂, 150–200°C)
nCH₂=CHCl → (–CH₂–CHCl–)_n (t°, p, xúc tác)

Từ đó có sơ đồ hợp thức: 2CH₄ → C₂H₂ → C₂H₃Cl → 1 mắt xích PVC. Cứ 2 mol CH₄ cho 1 mol vinyl clorua, tương ứng 1 mol mắt xích (khối lượng 62,5 g/mol).

Lời giải chi tiết

Bước 1. Số mol mắt xích PVC cần thu. 1 tấn = 10⁶ g, nên n = 10⁶ : 62,5 = 16 000 mol.

Bước 2. Hiệu suất chung. H = 15% × 95% × 90% = 0,15 × 0,95 × 0,90 = 0,12825.

Bước 3. Số mol CH₄ lý thuyết rồi thực tế.

Theo lý thuyết: n(CH₄) = 2 × 16 000 = 32 000 mol.
Thực tế phải dùng: 32 000 : 0,12825 ≈ 249 513 mol.

Bước 4. Thể tích CH₄ nguyên chất. V = 249 513 × 22,4 ≈ 5 589 085 lít ≈ 5589 m³.

Bước 5. Thể tích khí thiên nhiên (95% CH₄). V = 5589 : 0,95 ≈ 5883 m³.

Đại lượng	Giá trị
n mắt xích PVC	16 000 mol
H chung	12,825%
n CH₄ thực tế	≈ 249 513 mol
V CH₄ (đktc)	≈ 5589 m³
V khí thiên nhiên	≈ 5883 m³

Vì sao nhân hiệu suất, và vì sao CHIA khi tính chất đầu?

Mỗi giai đoạn chỉ chuyển hoá một phần chất nhận được từ giai đoạn trước, nên hiệu suất cả quá trình là tích các hiệu suất. Khi biết sản phẩm cuối và muốn tìm chất đầu, ta cần nhiều chất đầu hơn lý thuyết, vì thế phải chia cho hiệu suất. Ngược lại, khi biết chất đầu và tìm sản phẩm thì nhân với hiệu suất.

Mẹo nhớ: “Tìm sản phẩm thì nhân, tìm nguyên liệu thì chia”. Kết quả tìm nguyên liệu luôn lớn hơn giá trị lý thuyết; nếu em ra số nhỏ hơn thì đã nhầm.

Lỗi sai thường gặp

Quên hệ số 2 của CH₄ (2CH₄ mới ra 1 C₂H₂), dẫn đến kết quả chỉ bằng một nửa.
Cộng hoặc lấy trung bình các hiệu suất thay vì nhân.
Quên bước chia cho 0,95 vì khí thiên nhiên chỉ chứa 95% metan – đây là lý do có hai đáp số 5589 và 5883 m³.
Dùng khối lượng mol PVC là 62,5 cho cả phân tử polime mà không để ý đến n; thực chất ta đang tính theo mol mắt xích nên không cần biết n.

Bài luyện tập

Bài 1. Cho sơ đồ CH₄ (H = 60%) → C₂H₂ (H = 80%) → CH₂=CHCl (H = 50%) → PVC (coi giai đoạn cuối hoàn toàn). Để thu 31,25 kg PVC cần bao nhiêu m³ CH₄ (đktc)?

Đáp án: n mắt xích = 31 250 : 62,5 = 500 mol; H chung = 0,6 × 0,8 × 0,5 = 0,24; n(CH₄) = 2 × 500 : 0,24 ≈ 4166,7 mol; V ≈ 93,3 m³.

Bài 2. Từ 448 m³ CH₄ (đktc) điều chế PVC theo sơ đồ trên với hiệu suất chung 20%. Tính khối lượng PVC.

Đáp án: n(CH₄) = 448 000 : 22,4 = 20 000 mol → lý thuyết 10 000 mol mắt xích → thực tế 10 000 × 0,2 = 2000 mol → m = 2000 × 62,5 = 125 000 g = 125 kg.

Câu hỏi thường gặp

Hiệu suất chung của quá trình điều chế PVC từ metan là bao nhiêu?

Bằng tích các hiệu suất: 15% × 95% × 90% = 12,825%.

Vì sao 2 mol CH4 mới tạo ra 1 mol vinyl clorua?

Vì phản ứng nhiệt phân 2CH4 → C2H2 + 3H2 cần 2 mol metan cho 1 mol axetilen, sau đó 1 mol C2H2 cộng HCl cho 1 mol CH2=CHCl.

Khi nào đáp số là 5589 m3, khi nào là 5883 m3?

5589 m3 là thể tích CH4 nguyên chất; 5883 m3 là thể tích khí thiên nhiên chứa 95% CH4, tính bằng 5589 : 0,95.

Phản ứng tạo PVC thuộc loại nào?

Là phản ứng trùng hợp monome vinyl clorua CH2=CHCl thành polime (–CH2–CHCl–)n.