Primjeri pitanja o kemijskoj ravnoteži u industrijskom svijetu
Kemijska ravnoteža ključan je koncept u kemiji i široko se primjenjuje u raznim industrijskim područjima. U kemijskoj reakciji ravnoteža nastaje kada je brzina direktne reakcije jednaka brzini povratne reakcije, tako da koncentracije reaktanata i produkata ostaju konstantne tijekom vremena. Mnoge industrije, poput farmaceutske, petrokemijske i prehrambene, uvelike se oslanjaju na razumijevanje i kontrolu kemijske ravnoteže kako bi optimizirale proizvodnju i učinkovitost. Ovaj članak će raspravljati o nekoliko primjera problema povezanih s kemijskom ravnotežom u industrijskom kontekstu i kako ih riješiti.
Primjer pitanja 1: Industrija amonijaka (Haber-Boschov postupak)
Pitanje:
Haber-Boschovim postupkom proizvodi se amonijak (NH3)3) iz dušika (N2) i vodik (H2) prema reakciji:
\[ \text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g) \]
Na 500 K, konstanta ravnoteže (K c ) za ovu reakciju je 6.0 x 10^-2. Ako započnemo s 1.00 mol N 2 i 3.00 mol H 2 u reaktoru volumena 1.00 L, izračunajte koncentraciju svake komponente u ravnoteži.
Rasprava:
1. Odredite promjenu koncentracije za svaku komponentu u sustavu.
\[ \text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g) \]
Neka je x broj molova NH3.3 koji se formira u ravnoteži, tada je promjena koncentracije sljedeća:
- N2: -x mol/L
- H2: -3x mol/L
– New Hampshire3: +2x mol/L
2. Sastavite jednadžbu ravnoteže na temelju konstante ravnoteže (Kc):
\[
K_c = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2][\text{H}_2]^3} = 6.0 \puta 10^{-2}
\]
Početna koncentracija i promjena koncentracije:
– [N2] = 1.00 – x
– [H2] = 3.00 – 3x
– [NH3] = 2x
3. Uvrstite ove vrijednosti u jednadžbu ravnoteže:
\[
6.0 puta 10^{-2} = \frac{(2x)^2}{(1.00 – x)(3.00 – 3x)^3}
\]
4. Izračunajte vrijednost x koristeći metodu pokušaja i pogrešaka ili druge numeričke metode za rješavanje jednadžbe.
Nakon izračuna dobivamo x = 0.46. Dakle:
– [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
Primjer pitanja 2: Industrija sumporne kiseline (kontaktni proces)
Pitanje:
U kontaktnom procesu, pretvorba sumpornog dioksida (SO2) u sumporov trioksid (SO3) kroz reakciju:
\[ 2\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightleftharpune 2\text{SO}_3(g) \]
Konstanta ravnoteže (Kc ) za ovu reakciju na 600 K je 350. Ako reaktor sadrži 0.50 mol SO2 , 0.25 mol O2 i 0.10 mol SO3 , izračunajte koncentracije komponenti u ravnoteži u volumenu od 2.00 L.
Rasprava:
1. Odredite početnu koncentraciju:
– [TAKO2]rano = 0.50 mol / 2.00 L = 0.25 M
– [O2]rano = 0.25 mol / 2.00 L = 0.125 M
– [TAKO3]rano = 0.10 mol / 2.00 L = 0.05 M
2. Neka je x promjena koncentracije SO2.3 koji se formira u ravnoteži:
– [TAKO2]: 0.25 – x
– [O2]: 0.125 – \(\frac{x}{2}\)
– [TAKO3]: 0.05 + x
3. Uvrstite u jednadžbu ravnoteže:
\[
350 = (0.05 + x)^2}{(0.25 – x)^2 (0.125 – x^2))
\]
4. Rješavanjem ove jednadžbe (numeričkom metodom ili korištenjem programabilnog kalkulatora) utvrđuje se da je x = 0.165. Tada:
– [TAKO2] = 0.25 – 0.165 = 0.085 M
– [O2] = 0.125 – \(\frac{0.165}{2}\) = 0.0425 M
– [TAKO3] = 0.05 + 0.165 = 0.215 M
Primjer pitanja 3: Proizvodnja etilbenzena
Pitanje:
U proizvodnji etilbenzena, stiren se proizvodi dehidrogenacijom etilbenzena (C6H5CH2CH3):
\[ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{CH}_3(g) \rightleftharpoons \text{C}_6\text{H}_5\text{CH=CH}_2(g) + \text{H}_2(g) \]
Ako je konstanta ravnoteže (Kc ) za ovu reakciju na 700 K jednaka 2.5, a u volumenu od 1.0 L početno se nalazi 1.0 mol etilbenzena, izračunajte koncentraciju u ravnoteži.
Rasprava:
1. Odredite početnu koncentraciju:
– [C6H5CH2CH3] = 1.0 M
– [C6H5CH=CH2] = 0 M (jer nije razgrađeno)
– [H2] = 0 M
2. Neka je x promjena koncentracije C6H5CH=CH2 koji se formira u ravnoteži:
– [C6H5CH2CH3]: 1.0 – x
– [C6H5CH=CH2]: x
– [H2]: x
3. Uvrstite u jednadžbu ravnoteže:
\[
2.5 = \frac{x \cdot x}{1.0 – x} = \frac{x^2}{1.0 – x}
\]
4. Rješavanjem ove kvadratne jednadžbe dobiva se da je x = 0.62. Tada:
– [C6H5CH2CH3] = 1.0 – 0.62 = 0.38 M
– [C6H5CH=CH2] = 0.62 M
– [H2] = 0.62 M
U ova tri primjera vidjeli smo kako se koncept kemijske ravnoteže primjenjuje u različitim industrijskim kontekstima. Kemijska ravnoteža je temeljno i ključno načelo u industrijskim procesima, jer precizna kontrola kemijske ravnoteže može poboljšati učinkovitost proizvodnje i kvalitetu proizvoda. Temeljito razumijevanje kemijske ravnoteže omogućuje inženjeru ili industrijskom praktičaru optimalno projektiranje i upravljanje procesima.
