Өнеркәсіптік әлемдегі химиялық тепе-теңдікті талқылайтын мысал сұрақтар
Химиялық тепе-теңдік химиядағы маңызды ұғым болып табылады және әртүрлі өнеркәсіп салаларында кеңінен қолданылады. Химиялық реакцияда тепе-теңдік тура реакция жылдамдығы кері реакция жылдамдығына тең болған кезде пайда болады, сондықтан реактивтер мен өнімдердің концентрациясы уақыт өте келе тұрақты болып қалады. Фармацевтика, мұнай химиясы және тамақ өңдеу сияқты көптеген салалар өндіріс пен тиімділікті оңтайландыру үшін химиялық тепе-теңдікті түсінуге және басқаруға көп көңіл бөледі. Бұл мақалада өнеркәсіптік контекстегі химиялық тепе-теңдікке қатысты бірнеше мәселелердің мысалдары және оларды қалай шешуге болатыны талқыланады.
1-мысал: Аммиак өнеркәсібі (Haber-Bosch процесі)
Сұрақ:
Хабер-Бош процесі аммиак (NH2) өндіреді3) азоттан (N)2) және сутегі (H2) реакцияға сәйкес:
\[ \text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g) \]
500 К температурада бұл реакция үшін тепе-теңдік константасы (K c ) 6.0 x 10^-2 құрайды. Егер біз 1.00 л көлемі бар реакторда 1.00 моль N2 және 3.00 моль H2-ден бастасақ, тепе-теңдік кезіндегі әрбір компоненттің концентрациясын есептеңіз.
Талқылау:
1. Жүйедегі әрбір компонент үшін концентрацияның өзгерісін анықтаңыз.
\[ \text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g) \]
x - NH мольдері болсын3 тепе-теңдік кезінде түзілсе, концентрацияның өзгеруі келесідей болады:
- N2: -x моль/л
- H2: -3x моль/л
– NH3: +2x моль/л
2. Тепе-теңдік теңдеуін тепе-теңдік константасына (K) негіздеп орналастырыңыз.c):
\[
K_c = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2][\text{H}_2]^3} = 6.0 \times 10^{-2}
\]
Бастапқы концентрация және концентрацияның өзгеруі:
– [N]2] = 1.00 – x
– [H]2] = 3.00 – 3x
– [NH]3] = 2x
3. Бұл мәндерді тепе-теңдік теңдеуіне қосыңыз:
\[
6.0 \times 10^{-2} = \frac{(2x)^2}{(1.00 – x)(3.00 – 3x)^3}
\]
4. Теңдеуді шешу үшін сынақ және қателік немесе басқа сандық әдістерді қолданып, x мәнін есептеңіз.
Есептеуден кейін x = 0.46 аламыз. Сонымен:
– [N]2] = 1.00 – 0.46 = 0.54 моль/л
– [H]2] = 3.00 – 3(0.46) = 1.62 моль/л
– [NH]3] = 2(0.46) = 0.92 моль/л
2-мысал: Күкірт қышқылы өнеркәсібі (байланыс процесі)
Сұрақ:
Байланыс процесінде күкірт диоксидінің (SO4) түрленуі жүреді.2) күкірт триоксидіне (SO4) айналады3) реакция арқылы:
\[ 2\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{SO}_3(g) \]
600 К температурадағы бұл реакция үшін тепе-теңдік константасы (K c ) 350-ге тең. Егер реакторда 0.50 моль SO2, 0.25 моль O2 және 0.10 моль SO3 болса , 2.00 л көлемдегі компоненттердің тепе-теңдік концентрацияларын есептеңіз.
Талқылау:
1. Бастапқы концентрацияны анықтаңыз:
– [SO]2]авал = 0.50 моль / 2.00 л = 0.25 М
– [O]2]авал = 0.25 моль / 2.00 л = 0.125 М
– [SO]3]авал = 0.10 моль / 2.00 л = 0.05 М
2. x – SO4 концентрациясының өзгерісі болсын.3 тепе-теңдік кезінде түзіледі:
– [SO]2]: 0.25 – x
– [O]2]: 0.125 – \(\frac{x}{2}\)
– [SO]3]: 0.05 + x
3. Тепе-теңдік теңдеуіне қосыңыз:
\[
350 = \frac{(0.05 + x)^2}{(0.25 – x)^2 \cdot (0.125 – \frac{x}{2})}
\]
4. Бұл теңдеуді шешу арқылы (сандық әдісті немесе бағдарламаланатын калькуляторды пайдаланып) x = 0.165 екені анықталды. Сонда:
– [SO]2] = 0.25 – 0.165 = 0.085 М
– [O]2] = 0.125 – \(\frac{0.165}{2}\) = 0.0425 M
– [SO]3] = 0.05 + 0.165 = 0.215 М
3-мысал: Этилбензол өндірісі
Сұрақ:
Этилбензол өндірісінде стирол этилбензолды (C) дегидрлеу арқылы алынады.6H5CH2CH3):
\[ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{CH}_3(g) \rightleftharpoons \text{C}_6\text{H}_5\text{CH=CH}_2(g) + \text{H}_2(g) \]
Егер 700 К температурадағы бұл реакция үшін тепе-теңдік константасы (K c ) 2.5-ке тең болса және бастапқыда 1.0 л көлемде 1.0 моль этилбензол болса, тепе-теңдік концентрациясын есептеңіз.
Талқылау:
1. Бастапқы концентрацияны анықтаңыз:
– [C]6H5CH2CH3] = 1.0 М
– [C]6H5CH=CH2] = 0 M (өйткені ол ыдырамаған)
– [H]2] = 0 М
2. x – C концентрациясының өзгеруі болсын6H5CH=CH2 тепе-теңдік кезінде түзіледі:
– [C]6H5CH2CH3]: 1.0 – x
– [C]6H5CH=CH2]: x
– [H]2]: x
3. Тепе-теңдік теңдеуіне қосыңыз:
\[
2.5 = \frac{x \cdot x}{1.0 – x} = \frac{x^2}{1.0 – x}
\]
4. Осы квадрат теңдеуді шешу арқылы x = 0.62 екені анықталды. Сонда:
– [C]6H5CH2CH3] = 1.0 – 0.62 = 0.38 М
– [C]6H5CH=CH2] = 0.62 М
– [H]2] = 0.62 М
Осы үш мысалда біз химиялық тепе-теңдік ұғымының әртүрлі өнеркәсіптік жағдайларда қалай қолданылатынын көрдік. Химиялық тепе-теңдік өнеркәсіптік процестердегі негізгі және маңызды қағида болып табылады, себебі химиялық тепе-теңдікті дәл бақылау өндіріс тиімділігі мен өнім сапасын жақсарта алады. Химиялық тепе-теңдікті толық түсіну инженерге немесе өнеркәсіптік маманға процестерді оңтайлы түрде жобалауға және басқаруға мүмкіндік береді.
