Näidisküsimused keemilise tasakaalu kohta tööstusmaailmas
Keemiline tasakaal on keemias oluline mõiste ja seda rakendatakse laialdaselt erinevates tööstusvaldkondades. Keemilises reaktsioonis tekib tasakaal siis, kui edasise reaktsiooni kiirus võrdub pöördreaktsiooni kiirusega, nii et reagentide ja saaduste kontsentratsioonid jäävad aja jooksul konstantseks. Paljud tööstusharud, näiteks farmaatsia-, naftakeemia- ja toiduainetetööstus, tuginevad tootmise ja efektiivsuse optimeerimiseks suuresti keemilise tasakaalu mõistmisele ja kontrollimisele. See artikkel käsitleb mitmeid näiteid keemilise tasakaaluga seotud probleemidest tööstuslikus kontekstis ja nende lahendamise viise.
Näidisküsimus 1: Ammoniaagitööstus (Haber-Boschi protsess)
Küsimus:
Haber-Boschi protsess toodab ammoniaaki (NH3) lämmastikust (N2) ja vesinik (H2) vastavalt reaktsioonile:
\[ \text{N}_2(g) + 3 \text{H}_2(g) \text{NH}_3(g) \]
500 K juures on selle reaktsiooni tasakaalukonstant (K c ) 6.0 x 10^-2. Kui alustame 1.00 mol N 2 ja 3.00 mol H 2 -ga reaktoris mahuga 1.00 L, arvutage iga komponendi kontsentratsioon tasakaalus.
Arutelu:
1. Määrake süsteemi iga komponendi kontsentratsiooni muutus.
\[ \text{N}_2(g) + 3 \text{H}_2(g) \text{NH}_3(g) \]
Olgu x NH3 moolide arv3 mis tekib tasakaalus, siis kontsentratsiooni muutus on järgmine:
- N2: -x mol/l
- H2: -3x mol/l
– NH3: +2x mol/l
2. Järjesta tasakaaluvõrrand tasakaalukonstandi (Kc):
\[
K_c = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2][\text{H}_2]^3} = 6.0 korda 10^{-2}
\]
Algkontsentratsioon ja kontsentratsiooni muutus:
– [N2] = 1.00 – x
– [H2] = 3.00 – 3x
– [NH3] = 2x
3. Sisestage need väärtused tasakaaluvõrrandisse:
\[
6.0 korda 10^{-2} = \frac{(2x)^2}{(1.00 – x)(3.00 – 3x)^3}
\]
4. Arvutage x väärtus katse-eksituse meetodil või muude numbriliste meetodite abil võrrandi lahendamiseks.
Pärast arvutust saame x = 0.46. Seega:
– [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
Näidisküsimus 2: Väävelhappetööstus (kontaktprotsess)
Küsimus:
Kontaktprotsessis toimub vääveldioksiidi (SO2) vääveltrioksiidiks (SO3) reaktsiooni kaudu:
\[ 2 \text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \text{O}_2(g) \rightleftharpoons 2 \text{SO}_3(g) \]
Selle reaktsiooni tasakaalukonstant (K c ) temperatuuril 600 K on 350. Kui reaktor sisaldab 0.50 mol SO2 , 0.25 mol O2 ja 0.10 mol SO3 , arvutage komponentide kontsentratsioonid tasakaalus 2.00 l mahus.
Arutelu:
1. Määrake algkontsentratsioon:
– [Nii2]awal = 0.50 mol / 2.00 L = 0.25 M
– [O2]awal = 0.25 mol / 2.00 L = 0.125 M
– [Nii3]awal = 0.10 mol / 2.00 L = 0.05 M
2. Olgu x SO₂ kontsentratsiooni muutus.3 mis tekib tasakaalus:
– [Nii2]: 0.25 – x
– [O2]: 0.125 – \(\frac{x}{2}\)
– [Nii3]: 0.05 + x
3. Ühenda tasakaaluvõrrandiga:
\[
350 = ∫(0.05 + x)^2}{(0.25 – x)^2 ∫(0.125 – x2)}
\]
4. Selle võrrandi lahendamisel (numbrilise meetodi või programmeeritava kalkulaatori abil) leitakse, et x = 0.165. Seejärel:
– [Nii2] = 0.25 – 0.165 = 0.085 M
– [O2] = 0.125 – \(\frac{0.165}{2}\) = 0.0425 M
– [Nii3] = 0.05 + 0.165 = 0.215 M
Näidisküsimus 3: Etüülbenseeni tootmine
Küsimus:
Etüülbenseeni tootmisel toodetakse stüreeni etüülbenseeni (C6H5CH2CH3):
\[ \text{C}_6 \text{H}_5 \text{CH}_2 \text{CH}_3(g) \text{leftharpoons \text{C}_6 \text{H}_5 \text{CH=CH}_2(g) + \text{H}_2(g) \]
Kui selle reaktsiooni tasakaalukonstant (K c ) temperatuuril 700 K on 2.5 ja 1.0 l mahus on esialgu 1.0 mol etüülbenseeni, arvutage tasakaalukontsentratsioon.
Arutelu:
1. Määrake algkontsentratsioon:
– [C6H5CH2CH3] = 1.0 M
– [C6H5CH=CH2] = 0 M (kuna seda pole lagundatud)
– [H2] = 0 M
2. Olgu x C kontsentratsiooni muutus6H5CH=CH2 mis tekib tasakaalus:
– [C6H5CH2CH3]: 1.0 – x
– [C6H5CH=CH2]: x
– [H2]: x
3. Ühenda tasakaaluvõrrandiga:
\[
2.5 = ∏_frac{x \cdot x}{1.0 – x} = ∏_frac{x^2}{1.0 – x}
\]
4. Selle ruutvõrrandi lahendamisel leitakse, et x = 0.62. Siis:
– [C6H5CH2CH3] = 1.0 – 0.62 = 0.38 M
– [C6H5CH=CH2] = 0.62 M
– [H2] = 0.62 M
Nendes kolmes näites oleme näinud, kuidas keemilise tasakaalu kontseptsiooni rakendatakse erinevates tööstuslikes kontekstides. Keemiline tasakaal on tööstusprotsessides fundamentaalne ja ülioluline põhimõte, kuna keemilise tasakaalu täpne kontroll võib parandada tootmise efektiivsust ja toote kvaliteeti. Keemilise tasakaalu põhjalik mõistmine võimaldab inseneril või tööstuspraktikul protsesse optimaalselt kavandada ja käitada.
