Прыклады пытанняў па хімічнай раўнавазе ў прамысловым свеце

Прыклады пытанняў па абмеркаванні хімічнай раўнавагі ў прамысловым свеце

Хімічная раўнавага — гэта найважнейшае паняцце ў хіміі, якое шырока ўжываецца ў розных галінах прамысловасці. У хімічнай рэакцыі раўнавага ўзнікае, калі хуткасць прамой рэакцыі роўная хуткасці зваротнай рэакцыі, так што канцэнтрацыі рэагентаў і прадуктаў застаюцца нязменнымі з цягам часу. Многія галіны прамысловасці, такія як фармацэўтычная, нафтахімічная і харчовая, у значнай ступені залежаць ад разумення і кантролю хімічнай раўнавагі для аптымізацыі вытворчасці і эфектыўнасці. У гэтым артыкуле будуць разгледжаны некалькі прыкладаў праблем, звязаных з хімічнай раўнавагай у прамысловым кантэксце, і спосабы іх вырашэння.

Прыклад пытання 1: Аміячная прамысловасць (працэс Габера-Боша)

Пытанне:
Працэс Габера-Боша вырабляе аміяк (NH₃) з азоту (N₂) і вадарод (H₂) у адпаведнасці з рэакцыяй:
\[ \text{N}_2(г) + 3\text{H}_2(г) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(г) \]

Пры тэмпературы 500 K канстанта раўнавагі (Kc ₎ для гэтай рэакцыі складае 6.0 x 10^-2. Калі мы пачнем з 1.00 моль N2 _і 3.00 моль H2 _у рэактары аб'ёмам 1.00 л, разлічыце канцэнтрацыю кожнага кампанента ў раўнавазе.

Абмеркаванне:
1. Вызначце змяненне канцэнтрацыі кожнага кампанента ў сістэме.
\[ \text{N}_2(г) + 3\text{H}_2(г) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(г) \]
Няхай x будзе молямі NH3.₃ які ўтвараецца ў раўнавазе, то змена канцэнтрацыі выглядае наступным чынам:
- N₂: -x моль/л
- Н₂-3x моль/л
– Нью-Гэмпшыр₃+2x моль/л

2. Складзіце ўраўненне раўнавагі, грунтуючыся на канстанце раўнавагі (K_c):
\[
K_c = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2][\text{H}_2]^3} = 6.0 \times 10^{-2}
\]
Пачатковая канцэнтрацыя і змяненне канцэнтрацыі:
– [Н₂] = 1.00 – х
– [Н₂] = 3.00 – 3x
– [НГ₃] = 2x

3. Падстаўце гэтыя значэнні ў раўнанне раўнавагі:
\[
6.0 × 10⁻² = (2x)² (1.00 – x)(3.00 – 3x)³
\]

4. Вылічыце значэнне x, выкарыстоўваючы метад спроб і памылак або іншыя лікавыя метады для рашэння ўраўнення.

Пасля разліку атрымліваем x = 0.46. Такім чынам:
– [Н₂] = 1.00 – 0.46 = 0.54 моль/л
– [Н₂] = 3.00 – 3(0.46) = 1.62 моль/л
– [НГ₃] = 2(0.46) = 0.92 моль/л

Прыклад пытання 2: Вытворчасць сернай кіслаты (кантактны працэс)

Пытанне:
У кантактным працэсе адбываецца пераўтварэнне дыяксіду серы (SO₂) у трыаксід серы (SO₃) праз рэакцыю:
\[ 2\text{SO}_2(г) + \text{O}_2(г) \rightleftгарпуны 2\text{SO}_3(г) \]

Канстанта раўнавагі (Kc ₎ для гэтай рэакцыі пры тэмпературы 600 K роўная 350. Калі рэактар ​​змяшчае 0.50 моль SO2 _, 0.25 моль O2 _і 0.10 моль SO3 _, разлічыце канцэнтрацыі кампанентаў у раўнавазе ў аб'ёме 2.00 л.

Абмеркаванне:
1. Вызначце пачатковую канцэнтрацыю:
– [Так₂]_авал = 0.50 моль / 2.00 л = 0.25 М
– [О₂]_авал = 0.25 моль / 2.00 л = 0.125 М
– [Так₃]_авал = 0.10 моль / 2.00 л = 0.05 М

2. Няхай x — гэта змена канцэнтрацыі SO2.₃ які ўтвараецца ў стане раўнавагі:
– [Так₂]: 0.25 – х
– [О₂]: 0.125 – \(\frac{x}{2}\)
– [Так₃]: 0.05 + х

3. Падстаўце ў раўнанне раўнавагі:
\[
350 = (0.05 + x)^2}{(0.25 – x)^2 (0.125 – x^2))
\]

4. Рашыўшы гэтае ўраўненне (з дапамогай лікавага метаду або праграмуемага калькулятара), атрымліваем, што x = 0.165. Тады:
– [Так₂] = 0.25 – 0.165 = 0.085 М
– [О₂] = 0.125 – \(\frac{0.165}{2}\) = 0.0425 М
– [Так₃] = 0.05 + 0.165 = 0.215 М

Прыклад пытання 3: Атрыманне этылбензолу

Пытанне:
Пры вытворчасці этылбензолу стырол атрымліваецца шляхам дэгідрагенацыі этылбензолу (C₆H₅CH₂CH₃):
\[ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{CH}_3(г) \rightleftharpoons \text{C}_6\text{H}_5\text{CH=CH}_2(г) + \text{H}_2(г) \]

Калі канстанта раўнавагі (Kc ₎ для гэтай рэакцыі пры тэмпературы 700 K роўная 2.5, і ў аб'ёме 1.0 л першапачаткова знаходзіцца 1.0 моль этылбензолу, разлічыце канцэнтрацыю ў раўнавазе.

Абмеркаванне:
1. Вызначце пачатковую канцэнтрацыю:
– [С₆H₅CH₂CH₃] = 1.0 М
– [С₆H₅CH=CH₂] = 0 M (таму што не расклаўся)
– [Н₂] = 0 М

2. Няхай x будзе змяненнем канцэнтрацыі C₆H₅CH=CH₂ які ўтвараецца ў стане раўнавагі:
– [С₆H₅CH₂CH₃]: 1.0 – х
– [С₆H₅CH=CH₂]: х
– [Н₂]: х

3. Падстаўце ў раўнанне раўнавагі:
\[
2.5 = \frac{x \cdot x}{1.0 – x} = \frac{x^2}{1.0 – x}
\]

4. Рашыўшы гэта квадратнае ўраўненне, атрымліваем, што x = 0.62. Тады:
– [С₆H₅CH₂CH₃] = 1.0 – 0.62 = 0.38 М
– [С₆H₅CH=CH₂] = 0.62 М
– [Н₂] = 0.62 М

У гэтых трох прыкладах мы ўбачылі, як канцэпцыя хімічнай раўнавагі ўжываецца ў розных прамысловых кантэкстах. Хімічная раўнавага з'яўляецца фундаментальным і найважнейшым прынцыпам у прамысловых працэсах, паколькі дакладны кантроль хімічнай раўнавагі можа павысіць эфектыўнасць вытворчасці і якасць прадукцыі. Глыбокае разуменне хімічнай раўнавагі дазваляе інжынеру або прамыслоўцу аптымальна праектаваць і кіраваць працэсамі.