ઔદ્યોગિક વિશ્વમાં રાસાયણિક સંતુલનની ચર્ચા કરતા ઉદાહરણ પ્રશ્નો
રસાયણશાસ્ત્રમાં રાસાયણિક સંતુલન એક મહત્વપૂર્ણ ખ્યાલ છે અને વિવિધ ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રોમાં વ્યાપકપણે લાગુ પડે છે. રાસાયણિક પ્રતિક્રિયામાં, સંતુલન ત્યારે થાય છે જ્યારે આગળની પ્રતિક્રિયાનો દર વિપરીત પ્રતિક્રિયાના દર જેટલો હોય છે, જેથી પ્રતિક્રિયાકારો અને ઉત્પાદનોની સાંદ્રતા સમય જતાં સ્થિર રહે. ઘણા ઉદ્યોગો, જેમ કે ફાર્માસ્યુટિકલ્સ, પેટ્રોકેમિકલ્સ અને ફૂડ પ્રોસેસિંગ, ઉત્પાદન અને કાર્યક્ષમતાને શ્રેષ્ઠ બનાવવા માટે રાસાયણિક સંતુલનને સમજવા અને નિયંત્રિત કરવા પર ખૂબ આધાર રાખે છે. આ લેખ ઔદ્યોગિક સંદર્ભમાં રાસાયણિક સંતુલન સંબંધિત સમસ્યાઓના ઘણા ઉદાહરણો અને તેમને કેવી રીતે ઉકેલવા તે અંગે ચર્ચા કરશે.
ઉદાહરણ પ્રશ્ન ૧: એમોનિયા ઉદ્યોગ (હેબર-બોશ પ્રક્રિયા)
પ્રશ્ન:
હેબર-બોશ પ્રક્રિયા એમોનિયા ઉત્પન્ન કરે છે (NH3) નાઇટ્રોજન (N) માંથી2) અને હાઇડ્રોજન (H2) પ્રતિક્રિયા અનુસાર:
\[ \text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g) \]
500 K ના તાપમાને, સંતુલન સ્થિરાંક (Kc) આ પ્રતિક્રિયા માટે 6.0 x 10^-2 છે. જો આપણે 1.00 mol N થી શરૂઆત કરીએ તો2 અને 3.00 મોલ H2 1.00 L ના જથ્થાવાળા રિએક્ટરમાં, સંતુલન પર દરેક ઘટકની સાંદ્રતાની ગણતરી કરો.
ચર્ચા:
1. સિસ્ટમમાં દરેક ઘટક માટે સાંદ્રતામાં ફેરફાર નક્કી કરો.
\[ \text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g) \]
ધારો કે x એ NH ના મોલ્સ છે3 જે સંતુલન પર રચાય છે, પછી સાંદ્રતામાં ફેરફાર નીચે મુજબ થાય છે:
- એન2: -x મોલ/લિટર
- એચ2: -૩x મોલ/લિટર
- એનએચ3: +2x મોલ/લિટર
2. સંતુલન સ્થિરાંક (K) ના આધારે સંતુલન સમીકરણ ગોઠવો.c):
\[
K_c = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2][\text{H}_2]^3} = 6.0 \ગુણા 10^{-2}
\]
પ્રારંભિક સાંદ્રતા અને સાંદ્રતામાં ફેરફાર:
– [એન2] = 1.00 – x
– [એચ2] = ૩.૦૦ – ૩x
– [એનએચ3] = 2x
3. આ મૂલ્યોને સંતુલન સમીકરણમાં પ્લગ કરો:
\[
૬.૦ \ગુણા ૧૦^{-૨} = \frac{(૨x)^૨}{(૧.૦૦ – x)(૩.૦૦ – ૩x)^૩}
\]
4. સમીકરણ ઉકેલવા માટે ટ્રાયલ એન્ડ એરર અથવા અન્ય સંખ્યાત્મક પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને x ની કિંમતની ગણતરી કરો.
ગણતરી પછી, આપણને x = 0.46 મળે છે. તેથી:
– [એન2] = 1.00 – 0.46 = 0.54 mol/L
– [એચ2] = 3.00 – 3(0.46) = 1.62 mol/L
– [એનએચ3] = 2(0.46) = 0.92 મોલ/લિટર
ઉદાહરણ પ્રશ્ન 2: સલ્ફ્યુરિક એસિડ ઉદ્યોગ (સંપર્ક પ્રક્રિયા)
પ્રશ્ન:
સંપર્ક પ્રક્રિયામાં, સલ્ફર ડાયોક્સાઇડ (SO2) સલ્ફર ટ્રાયઓક્સાઇડ (SO3) પ્રતિક્રિયા દ્વારા:
\[ 2\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{SO}_3(g) \]
સંતુલન અચળાંક (Kc) 600 K પર આ પ્રતિક્રિયા માટે 350 છે. જો રિએક્ટરમાં 0.50 mol SO હોય તો2, 0.25 મોલ ઓ2, અને 0.10 મોલ SO3, 2.00 L ના જથ્થામાં સંતુલન પર ઘટકોની સાંદ્રતાની ગણતરી કરો.
ચર્ચા:
1. પ્રારંભિક સાંદ્રતા નક્કી કરો:
– [તેથી2]અવલ = 0.50 મોલ / 2.00 લિટર = 0.25 મીટર
– [ઓ2]અવલ = 0.25 મોલ / 2.00 લિટર = 0.125 મીટર
– [તેથી3]અવલ = 0.10 મોલ / 2.00 લિટર = 0.05 મીટર
2. ધારો કે x એ SO સાંદ્રતામાં ફેરફાર છે.3 જે સંતુલન પર રચાય છે:
– [તેથી2]: ૦.૨૫ – x
– [ઓ2]: 0.125 – \(\frac{x}{2}\)
– [તેથી3]: ૦.૦૫ + x
3. સંતુલન સમીકરણમાં પ્લગ ઇન કરો:
\[
૩૫૦ = \frac{(૦.૦૫ + x)^૨}{(૦.૨૫ – x)^૨ \cdot (૦.૧૨૫ – \frac{x}{૨})}
\]
4. આ સમીકરણ ઉકેલવાથી (સંખ્યાત્મક પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને અથવા પ્રોગ્રામેબલ કેલ્ક્યુલેટરનો ઉપયોગ કરીને), એવું જાણવા મળે છે કે x = 0.165. પછી:
– [તેથી2] = 0.25 – 0.165 = 0.085 મીટર
– [ઓ2] = 0.125 – \(\frac{0.165}{2}\) = 0.0425 મીટર
– [તેથી3] = ૦.૦૫ + ૦.૧૬૫ = ૦.૨૧૫ મીટર
ઉદાહરણ પ્રશ્ન ૩: ઇથિલબેન્ઝીન ઉત્પાદન
પ્રશ્ન:
ઇથિલબેન્ઝીનના ઉત્પાદનમાં, સ્ટાયરીન ઇથિલબેન્ઝીન (C) ના ડિહાઇડ્રોજનેશન દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે.6H5CH2CH3):
\[ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{CH}_3(g) \rightleftharpoons \text{C}_6\text{H}_5\text{CH=CH}_2(g) + \text{H}_2(g) \]
જો સંતુલન સ્થિરાંક (K)c) 700 K પર આ પ્રતિક્રિયા માટે 2.5 છે, અને શરૂઆતમાં 1.0 L ના જથ્થામાં 1.0 mol ઇથિલબેન્ઝીન હોય છે, સંતુલન પર સાંદ્રતાની ગણતરી કરો.
ચર્ચા:
1. પ્રારંભિક સાંદ્રતા નક્કી કરો:
– [સી6H5CH2CH3] = 1.0 મીટર
– [સી6H5સીએચ = સીએચ2] = 0 M (કારણ કે તે વિઘટિત થયું નથી)
– [એચ2] = 0 મીટર
2. ધારો કે x એ C ની સાંદ્રતામાં ફેરફાર છે6H5સીએચ = સીએચ2 જે સંતુલન પર રચાય છે:
– [સી6H5CH2CH3]: ૦.૨૫ – x
– [સી6H5સીએચ = સીએચ2]: x
– [એચ2]: x
3. સંતુલન સમીકરણમાં પ્લગ ઇન કરો:
\[
૨.૫ = \frac{x \cdot x}{1.0 – x} = \frac{x^2}{1.0 – x}
\]
4. આ દ્વિઘાત સમીકરણ ઉકેલવાથી, જાણવા મળે છે કે x = 0.62. પછી:
– [સી6H5CH2CH3] = 1.0 – 0.62 = 0.38 મીટર
– [સી6H5સીએચ = સીએચ2] = 0.62 મીટર
– [એચ2] = 0.62 મીટર
આ ત્રણ ઉદાહરણોમાં, આપણે જોયું કે રાસાયણિક સંતુલનની વિભાવના વિવિધ ઔદ્યોગિક સંદર્ભોમાં કેવી રીતે લાગુ કરવામાં આવે છે. રાસાયણિક સંતુલન ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયાઓમાં એક મૂળભૂત અને મહત્વપૂર્ણ સિદ્ધાંત છે, કારણ કે રાસાયણિક સંતુલનનું ચોક્કસ નિયંત્રણ ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતા અને ઉત્પાદન ગુણવત્તામાં સુધારો કરી શકે છે. રાસાયણિક સંતુલનની સંપૂર્ણ સમજ એક ઇજનેર અથવા ઔદ્યોગિક વ્યવસાયિકને પ્રક્રિયાઓને શ્રેષ્ઠ રીતે ડિઝાઇન અને સંચાલિત કરવા સક્ષમ બનાવે છે.
