Ekzemplaj Demandoj Diskutantaj Kemian Ekvilibron en la Industria Mondo
Kemia ekvilibro estas decida koncepto en kemio kaj estas vaste aplikebla en diversaj industriaj kampoj. En kemia reakcio, ekvilibro okazas kiam la rapido de la antaŭa reakcio egalas la rapidon de la inversa reakcio, tiel ke la koncentriĝoj de reakciantoj kaj produktoj restas konstantaj laŭlonge de la tempo. Multaj industrioj, kiel ekzemple farmaciaj, petrolkemiaj kaj nutraĵprilaboraj, multe dependas de kompreno kaj kontrolado de kemia ekvilibro por optimumigi produktadon kaj efikecon. Ĉi tiu artikolo diskutos plurajn ekzemplojn de problemoj rilataj al kemia ekvilibro en industria kunteksto kaj kiel solvi ilin.
Ekzempla Demando 1: Amoniaka Industrio (Procezo Haber-Bosch)
Demando:
La procezo Haber-Bosch produktas amoniakon (NH3) el nitrogeno (N2) kaj hidrogeno (H2) laŭ la reakcio:
\[ \tekst{N}_2(g) + 3 \tekst{H}_2(g) \dekstrenharpuoj 2 \tekst{NH}_3(g) \]
Je 500 K, la ekvilibrokonstanto (K c ) por ĉi tiu reakcio estas 6.0 x 10^-2. Se ni komencas kun 1.00 mol da N₂ kaj 3.00 mol da H₂ en reaktoro kun volumeno de 1.00 L, kalkulu la koncentriĝon de ĉiu komponanto ĉe ekvilibro.
Diskuto:
1. Determinu la ŝanĝon en koncentriĝo por ĉiu komponanto en la sistemo.
\[ \tekst{N}_2(g) + 3 \tekst{H}_2(g) \dekstrenharpuoj 2 \tekst{NH}_3(g) \]
Estu x la haŭtmakuloj de NH3 kiu formiĝas ĉe ekvilibro, tiam la ŝanĝo en koncentriĝo estas jena:
- N2: -x mol/L
- H2: -3x mol/L
– NH3+2x mol/L
2. Aranĝu la ekvilibran ekvacion bazitan sur la ekvilibra konstanto (Kc):
\[
K_c = \frac{[\tekst{NH}_3]^2}{[\tekst{N}_2][\tekst{H}_2]^3} = 6.0 \times 10^{-2}
\]
Komenca koncentriĝo kaj ŝanĝo en koncentriĝo:
– [N2] = 1.00 – x
– [H2] = 3.00 – 3x
– [NH3] = 2x
3. Enigu ĉi tiujn valorojn en la ekvilibran ekvacion:
\[
6.0 × 10^{-2} = \frac{(2x)^2}{(1.00 – x)(3.00 – 3x)^3}
\]
4. Kalkulu la valoron de x uzante provojn kaj erarojn aŭ aliajn nombrajn metodojn por solvi la ekvacion.
Post la kalkulo, ni ricevas x = 0.46. Do:
– [N2] = 1.00 – 0.46 = 0.54 mol/L
– [H2] = 3.00 – 3 (0.46) = 1.62 mol/L
– [NH3] = 2(0.46) = 0.92 mol/L
Ekzempla Demando 2: Industrio de Sulfata Acido (Kontakta Procezo)
Demando:
En la kontaktoprocezo, la konvertiĝo de sulfura dioksido (SO2) en sulfurtrioksidon (SO3) per la reakcio:
\[ 2\tekst{SO}_2(g) + \tekst{O}_2(g) \rightleftharpoons 2\tekst{SO}_3(g) \]
La ekvilibrokonstanto (Kc ) por ĉi tiu reakcio je 600 K estas 350. Se la reaktoro enhavas 0.50 molojn da SO2 , 0.25 molojn da O2 , kaj 0.10 molojn da SO3 , kalkulu la koncentriĝojn de la komponantoj ĉe ekvilibro en volumeno de 2.00 L.
Diskuto:
1. Difinu la komencan koncentriĝon:
– [TIEL2]komenco = 0.50 mol / 2.00 L = 0.25 M
– [Ho2]komenco = 0.25 mol / 2.00 L = 0.125 M
– [TIEL3]komenco = 0.10 mol / 2.00 L = 0.05 M
2. Estu x la ŝanĝo en SO-koncentriĝo.3 kiu formiĝas ĉe ekvilibro:
– [TIEL2]: 0.25 – x
– [Ho2]: 0.125 – \(\frac{x}{2}\)
– [TIEL3]: 0.05 + x
3. Enigu la ekvilibran ekvacion:
\[
350 = (0.05 + x)^2}{(0.25 – x)^2 (0.125 – x}{2)}
\]
4. Solvante ĉi tiun ekvacion (uzante nombran metodon aŭ uzante programeblan kalkulilon), oni trovas, ke x = 0.165. Tiam:
– [TIEL2] = 0.25 – 0.165 = 0.085 M
– [Ho2] = 0.125 – \(\frac{0.165}{2}\) = 0.0425 M
– [TIEL3] = 0.05 + 0.165 = 0.215 M
Ekzempla Demando 3: Produktado de etilbenzeno
Demando:
En la produktado de etilbenzeno, stireno estas produktita per la dehidratigo de etilbenzeno (C6H5CH2CH3):
\[ \tekst{C}_6 \tekst{H}_5 \tekst{CH}_2 \tekst{CH}_3(g) \dekstremaldekstreharpunoj \tekst{C}_6 \tekst{H}_5 \tekst{CH=CH}_2(g) + \tekst{H}_2(g) \]
Se la ekvilibrokonstanto (Kc ) por ĉi tiu reakcio je 700 K estas 2.5, kaj komence estas 1.0 molo da etilbenzeno en volumeno de 1.0 L, kalkulu la koncentriĝon ĉe ekvilibro.
Diskuto:
1. Difinu la komencan koncentriĝon:
– [C6H5CH2CH3] = 1.0 M
– [C6H5CH₄=CH₄2] = 0 M (ĉar ĝi ne malkomponiĝis)
– [H2] = 0 M
2. Estu x la ŝanĝo en koncentriĝo de C6H5CH₄=CH₄2 kiu formiĝas ĉe ekvilibro:
– [C6H5CH2CH3]: 1.0 – x
– [C6H5CH₄=CH₄2]: x
– [H2]: x
3. Enigu la ekvilibran ekvacion:
\[
2.5 = \frac{x \cdot x}{1.0 – x} = \frac{x^2}{1.0 – x}
\]
4. Solvante ĉi tiun kvadratan ekvacion, oni trovas, ke x = 0.62. Tiam:
– [C6H5CH2CH3] = 1.0 – 0.62 = 0.38 M
– [C6H5CH₄=CH₄2] = 0.62 M
– [H2] = 0.62 M
En ĉi tiuj tri ekzemploj, ni vidis kiel la koncepto de kemia ekvilibro estas aplikata en malsamaj industriaj kuntekstoj. Kemia ekvilibro estas fundamenta kaj decida principo en industriaj procezoj, ĉar preciza kontrolo de kemia ekvilibro povas plibonigi produktadan efikecon kaj produktokvaliton. Detala kompreno de kemia ekvilibro ebligas al inĝeniero aŭ industria praktikisto optimume desegni kaj funkciigi procezojn.
