Արդյունաբերական աշխարհում քիմիական հավասարակշռությունը քննարկող օրինակելի հարցեր
Քիմիական հավասարակշռությունը քիմիայի կարևորագույն հասկացություն է և լայնորեն կիրառելի է տարբեր արդյունաբերական ոլորտներում: Քիմիական ռեակցիայի ժամանակ հավասարակշռությունը տեղի է ունենում, երբ ուղիղ ռեակցիայի արագությունը հավասար է հակադարձ ռեակցիայի արագությանը, այնպես որ ռեակտիվների և արգասիքների կոնցենտրացիաները ժամանակի ընթացքում մնում են անփոփոխ: Շատ արդյունաբերություններ, ինչպիսիք են դեղագործությունը, նավթաքիմիական արդյունաբերությունը և սննդի վերամշակումը, մեծապես հույսը դնում են քիմիական հավասարակշռության հասկացման և վերահսկման վրա՝ արտադրությունն ու արդյունավետությունը օպտիմալացնելու համար: Այս հոդվածում կքննարկվեն արդյունաբերական համատեքստում քիմիական հավասարակշռության հետ կապված մի քանի խնդիրների օրինակներ և դրանց լուծման եղանակները:
Օրինակ՝ հարց 1. Ամոնիակի արդյունաբերություն (Հաբեր-Բոշի գործընթաց)
Հարց՝
Հաբեր-Բոշի պրոցեսը առաջացնում է ամոնիակ (NH3)3) ազոտից (N2) և ջրածին (H2) ռեակցիայի համաձայն՝
\[ \text{N}_2(գ) + 3\text{H}_2(գ) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(գ) \]
500 Կ ջերմաստիճանում այս ռեակցիայի հավասարակշռության հաստատունը (Kc ) 6.0 x 10^-2 է: Եթե սկսենք 1.00 մոլ N2-ից և 3.00 մոլ H2- ից 1.00 լ ծավալով ռեակտորում, հաշվարկեք յուրաքանչյուր բաղադրիչի կոնցենտրացիան հավասարակշռության վիճակում:
Քննարկում.
1. Որոշեք համակարգի յուրաքանչյուր բաղադրիչի կոնցենտրացիայի փոփոխությունը։
\[ \text{N}_2(գ) + 3\text{H}_2(գ) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(գ) \]
Դիցուք x-ը NH-ի մոլերն են։3 որը ձևավորվում է հավասարակշռության մեջ, ապա կոնցենտրացիայի փոփոխությունը հետևյալն է.
- Ն2: -x մոլ/լ
- Հ2: -3x մոլ/լ
– Նյու Հեմփշիր3+2x մոլ/լ
2. Հավասարակշռության հավասարումը դասավորեք հավասարակշռության հաստատունի (K) հիման վրաc):
\[
K_c = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2][\text{H}_2]^3} = 6.0 \times 10^{-2}
\]
Սկզբնական կոնցենտրացիան և կոնցենտրացիայի փոփոխությունը.
– [Ն2] = 1.00 – x
– [Հ2] = 3.00 – 3x
– [ՆՀՀ3] = 2x
3. Այս արժեքները միացրեք հավասարակշռության հավասարման մեջ.
\[
6.0 անգամ 10^{-2} = \frac{(2x)^2}{(1.00 – x)(3.00 – 3x)^3}
\]
4. Հավասարումը լուծելու համար հաշվարկեք x-ի արժեքը՝ օգտագործելով փորձարկման և սխալի մեթոդ կամ այլ թվային մեթոդներ։
Հաշվարկից հետո մենք ստանում ենք x = 0.46: Այսպիսով՝
– [Ն2] = 1.00 – 0.46 = 0.54 մոլ/լ
– [Հ2] = 3.00 – 3(0.46) = 1.62 մոլ/լ
– [ՆՀՀ3] = 2(0.46) = 0.92 մոլ/լ
Օրինակ հարց 2. Ծծմբական թթվի արդյունաբերություն (կոնտակտային գործընթաց)
Հարց՝
Կոնտակտային գործընթացում ծծմբի երկօքսիդի (SO4) փոխակերպումը տեղի է ունենում2) ծծմբի եռօքսիդի (SO3) ռեակցիայի միջոցով՝
\[ 2\text{SO}_2(գ) + \text{O}_2(գ) \rightleftharpoons 2\text{SO}_3(գ) \]
Այս ռեակցիայի հավասարակշռության հաստատունը (Kc ) 600 K ջերմաստիճանում 350 է: Եթե ռեակտորը պարունակում է 0.50 մոլ SO2 , 0.25 մոլ O2 և 0.10 մոլ SO3 , հաշվարկեք բաղադրիչների կոնցենտրացիաները հավասարակշռության վիճակում 2.00 լ ծավալում:
Քննարկում.
1. Որոշեք սկզբնական կոնցենտրացիան.
– [Այսպիսով2]ավալ = 0.50 մոլ / 2.00 Լ = 0.25 Մ
– [Օ2]ավալ = 0.25 մոլ / 2.00 Լ = 0.125 Մ
– [Այսպիսով3]ավալ = 0.10 մոլ / 2.00 Լ = 0.05 Մ
2. Ենթադրենք x-ը SO կոնցենտրացիայի փոփոխությունն է։3 որը ձևավորվում է հավասարակշռության մեջ՝
– [Այսպիսով2]: 0.25 – x
– [Օ2]: 0.125 – \(\frac{x}{2}\)
– [Այսպիսով3]: 0.05 + x
3. Հավասարակշռության հավասարման մեջ ներառեք՝
\[
350 = \frac{(0.05 + x)^2}{(0.25 – x)^2 \cdot (0.125 – \frac{x}{2})}
\]
4. Այս հավասարումը լուծելով (թվային մեթոդով կամ ծրագրավորվող հաշվիչով), պարզվում է, որ x = 0.165 է։ Այնուհետև՝
– [Այսպիսով2] = 0.25 – 0.165 = 0.085 Մ
– [Օ2] = 0.125 – \(\frac{0.165}{2}\) = 0.0425 Մ
– [Այսպիսով3] = 0.05 + 0.165 = 0.215 Մ
Օրինակ՝ հարց 3. Էթիլբենզոլի արտադրություն
Հարց՝
Էթիլբենզոլի արտադրության մեջ ստիրոլը ստացվում է էթիլբենզոլի (C) ջրազրկման միջոցով։6H5CH2CH3):
\[ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{CH}_3(գ) \rightleftharpoons \text{C}_6\text{H}_5\text{CH=CH}_2(գ) + \text{H}_2(գ) \]
Եթե այս ռեակցիայի հավասարակշռության հաստատունը (Kc ) 700 K ջերմաստիճանում 2.5 է, և սկզբնապես 1.0 լ ծավալում կա 1.0 մոլ էթիլբենզոլ, հաշվարկեք հավասարակշռության վիճակում կոնցենտրացիան։
Քննարկում.
1. Որոշեք սկզբնական կոնցենտրացիան.
– [Գ6H5CH2CH3] = 1.0 Մ
– [Գ6H5CH=CH2] = 0 M (քանի որ այն չի քայքայվել)
– [Հ2] = 0 Մ
2. Ենթադրենք x-ը C-ի կոնցենտրացիայի փոփոխությունն է։6H5CH=CH2 որը ձևավորվում է հավասարակշռության մեջ՝
– [Գ6H5CH2CH3]: 1.0 – x
– [Գ6H5CH=CH2]: x
– [Հ2]: x
3. Հավասարակշռության հավասարման մեջ ներառեք՝
\[
2.5 = \frac{x \cdot x}{1.0 – x} = \frac{x^2}{1.0 – x}
\]
4. Այս քառակուսային հավասարումը լուծելով՝ պարզվում է, որ x = 0.62 է։ Այնուհետև՝
– [Գ6H5CH2CH3] = 1.0 – 0.62 = 0.38 Մ
– [Գ6H5CH=CH2] = 0.62 Մ
– [Հ2] = 0.62 Մ
Այս երեք օրինակներում մենք տեսանք, թե ինչպես է քիմիական հավասարակշռության հայեցակարգը կիրառվում տարբեր արդյունաբերական համատեքստերում: Քիմիական հավասարակշռությունը հիմնարար և կարևորագույն սկզբունք է արդյունաբերական գործընթացներում, քանի որ քիմիական հավասարակշռության ճշգրիտ կառավարումը կարող է բարելավել արտադրության արդյունավետությունը և արտադրանքի որակը: Քիմիական հավասարակշռության խորը ըմբռնումը թույլ է տալիս ինժեներին կամ արդյունաբերական մասնագետին օպտիմալ կերպով նախագծել և գործարկել գործընթացները:
