XII Олимпиада по нанотехнологиям (с решениями) - часть 5

 

  Главная      Учебники - Разные     XII Олимпиада по нанотехнологиям (с решениями). "Нанотехнологии-прорыв в будущее" 2017-2018

 

поиск по сайту           правообладателям

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..     3      4      5      6     ..

 

 

XII Олимпиада по нанотехнологиям (с решениями) - часть 5

 

 

 

 

 

 

Юный эрудит (заочный тур) 
Решение задачи 2. Рост наночастиц 

 

1)

 

Масса наночастицы в начальный момент времени равна 

3

1

1

1

a

V

m

 

2)

 

Масса наночастицы в конечный момент времени равна  
 

3

1

6

3

1

3

2

2

2

10

100

a

a

a

V

m

 

3)

 

1 нм = 10

–9

 м, 3·10

–15

 мг/с = 3·10

–21

 кг/с, 2.7 г/см

3

 = 2700 кг/м

3

 

 
Время роста составляет  
 

 

15

10

3

60

1

10

2700

10

60

10

60

21

6

3

9

3

1

3

1

6

1

2

min

v

a

a

v

m

m

t

мин. 

 

4)

 

Площадь поверхности кубической наночастицы вырастет в  

 

10000

100

6

6

2

1

2

1

2

1

2

2

1

2

a

a

a

a

S

S

 раз. 

 
 

34

 

 

 

 

Юный эрудит (заочный тур) 
Задача 3. В мире нанокристаллов 

 
Нанокристаллы  могут  образовывать  большое  количество  разнообразных  геометрических 
форм,  рассмотреть  которые  позволяют  методы  электронной  микроскопии.  Некоторые  из 
таких форм показаны ниже. 
 
Сканирующая электронная микроскопия 
 

 

 

 

 
Просвечивающая электронная микроскопия 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
Сопоставьте изображения частиц и приведенные ниже многогранники. Учтите, при этом, что 
кристаллы на изображениях могут располагаться хаотически. 

35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

куб 

усеченный куб 

шестиугольная 

призма 

тетраэдр 

усеченный 

тетраэдр 

 

 

 

 

 

октаэдр 

усеченный октаэдр 

кубоктаэдр 

ромбододекаэдр 

 
Всего – 6 баллов 

36

 

 

 

 

Юный эрудит (заочный тур) 
Решение задачи 3. В мире нанокристаллов 

 
СЭМ 
 

1 – шестиугольная призма;  
2 – четырехугольная  призма  с  основанием  ромб  (также  засчитывались  куб  и 
упоминание грани в виде ромба)
;  
3 – ромбододекаэдр. 

 
ПЭМ 
 

4 – c – куб или усеченный куб, d – ромбододекаэдр (также засчитывался кубоктаэдр, 
который имеет похожую проекцию)

5 – октаэдр  (баллы  также  начислялись  за  выбор  тетраэдра  или  усеченного 
тетраэдра,  поскольку  на  микрофотографии  E  подавляющее  большинство  частиц 
размещено так, что видно только одну треугольную грань)

6 – куб (также засчитывался усеченный куб)
7 – кубоктаэдр (также засчитывался усеченный октаэдр);  
8 – усеченный  октаэдр  (баллы  также  начислялись  за  выбор  октаэдра  или  усеченного 
тетраэдра)

9 – октаэдр (также засчитывался усеченный октаэдр)

37

 

 

 

 

Юный эрудит (заочный тур) 
Задача 4. Грибы и солнечная энергия 

 

 

 
Превращение  воды  в  пар  –  один  из  способов  преобразования  солнечной  энергии. 
Оказалось,  что  для  этой  цели  хорошо  подходят  некоторые  виды  грибов.  Они  отлично 
поглощают  солнечный  свет,  а  их  пористая  микроструктура  способствует  переносу  воды  по 
капиллярам  к  месту  испарения.  Для  повышения  эффективности  грибы  «карбонизируют»  – 
превращают органическое вещество в пористый углерод путем длительного нагревания при 
500 

о

С без доступа воздуха. 

 
В  эксперименте  грибы  освещали  обычным  солнечным  светом  мощностью  1  кВт/м

2

  и 

измеряли скорость испарения воды, которая оказалась равна 1.1 и 1.4 кг/(м

2

ч) для обычных 

и  карбонизированных  грибов,  соответственно.  Найдите  кпд  преобразования  солнечной 
энергии в обоих случаях и решите, можно ли считать грибы эффективным преобразователем 
солнечной энергии. Теплота испарения воды 2.2 кДж/г. 
 
Всего – 5 баллов 

38

 

 

 

 

Юный эрудит (заочный тур) 
Решение задачи 4. Грибы и солнечная энергия 

 
Для удобства примем время «работы» грибов 1 ч, а их общую поверхность 1 м

2

. За это время 

энергия поглощенного света составит 
 

 

 

E

погл

 = 1000 Дж/с  3600 c = 3.610

6

 Дж = 3600 кДж. 

 

(2 балла) 

 
На испарение воды обычными грибами будет израсходовано 
 

 

 

E

исп

 = 1100 г  2.2 кДж/г = 2420 кДж 

 

 

 

(2 балла) 

 
Коэффициент  преобразования  (кпд):    =  E

исп

  /  E

погл

  =  0.67  =  67%.  Для  карбонизированных 

грибов  он  будет  больше  в  1.4/1.1  раза,  т.е.  86%  (1  балл).  Грибы  оказались  довольно 
эффективными устройствами преобразования солнечной энергии.  
 
Правда,  энергию  пара надо  потом  превращать  в  работу,  а  это  приведет  к  дополнительным 
потерям, величина которых заранее неизвестна. 

39

 

 

 

 

Юный эрудит (заочный тур) 
Задача 5. Катализатор из одного атома 

 

 

 
Одна из важнейших задач химической промышленности – превращение атмосферного азота 
в аммиак, из которого получают удобрения и другие полезные вещества. Ежегодно мировая 
промышленность производит 150 млн. тонн аммиака. 
 
Атмосферный  азот очень  устойчив  и  плохо  вступает  в  химические  реакции,  поэтому синтез 
аммиака  проводят  в  очень  жестких  условиях  –  давление  200  атм,  температура  500 

о

С.  Для 

ускорения  реакции  применяют  катализатор  –  металлическое  железо  и  промоторы 
(вещества, помогающие работать катализатору) – оксиды калия, кальция и алюминия. 
 
Однако,  при  участии  наночастиц  реакцию  можно  проводить  и  в  более  мягких  условиях. 
Недавние  расчеты  показали,  что  одиночные  атомы  молибдена,  нанесенные  на  монослой 
нитрида бора, способны эффективно ускорять превращение азота в аммиак. Реакция одной 
молекулы азота на одном атоме молибдена занимает около 20 с. 
 

1.

 

Напишите химические формулы всех веществ, которые упомянуты в тексте. (2 балла)  

 

2.

 

Рассчитайте,  сколько  тонн  молибдена  понадобится,  чтобы  за  год  получить  150  млн. 

тонн аммиака? (3 балла) 

 
Всего – 5 баллов 

40

 

 

 

 

Юный эрудит (заочный тур) 
Решение задачи 5. Катализатор из одного атома 

 

1.

 

NH

3

, N

2

, Fe, K

2

O, CaO, Al

2

O

3

, Mo, BN. 

 

 

       (по 0.25 балла за формулу) 

 

2.

 

За год на одном атоме Mo прореагирует 36586400 / 20 = 1 576 800  1.6 млн. молекул 

N

2

, из которых образуется 1.62 = 3.2 млн. молекул NH

3

. Найдем отношение масс: 

 

m(NH

3

) / m(Mo) = 3.210

6

17 / 96 = 5.610

5

 
Таким  образом,  для  синтеза  150  млн.  тонн  аммиака  понадобится  15010

6

  /  5.610

5

  = 

270  тонн  молибдена.  Причем  весь  металл  должен  быть  атомизирован  и  нанесен  на 
подложку  из  монослоя  нитрида  бора.  Это  совсем  непросто  и  недешево,  поэтому 
данное открытие имеет скорее фундаментальную, чем практическую ценность. 

41

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..     3      4      5      6     ..