Pavyzdiniai klausimai, aptariantys cheminę pusiausvyrą pramoniniame pasaulyje
Cheminė pusiausvyra yra labai svarbi chemijos sąvoka ir plačiai taikoma įvairiose pramonės srityse. Cheminės reakcijos metu pusiausvyra susidaro, kai tiesioginės reakcijos greitis yra lygus atvirkštinės reakcijos greičiui, todėl reagentų ir produktų koncentracijos laikui bėgant išlieka pastovios. Daugelyje pramonės šakų, pavyzdžiui, farmacijos, naftos chemijos ir maisto perdirbimo, labai svarbu suprasti ir kontroliuoti cheminę pusiausvyrą, siekiant optimizuoti gamybą ir efektyvumą. Šiame straipsnyje bus aptarti keli su chemine pusiausvyra susijusių problemų pavyzdžiai pramonės kontekste ir kaip jas išspręsti.
1 klausimo pavyzdys: Amoniako pramonė (Haber-Bosch procesas)
Klausimas:
Haber-Bosch procesas gamina amoniaką (NH3) iš azoto (N2) ir vandenilis (H2) pagal reakciją:
\[ \text{N}_2(g) + 3 \text{H}_2(g) \text{NH}_3(g) \]
Esant 500 K temperatūrai, šios reakcijos pusiausvyros konstanta (K c ) yra 6.0 x 10^-2. Jei pradedame nuo 1.00 mol N 2 ir 3.00 mol H 2 reaktoriuje, kurio tūris yra 1.00 l, apskaičiuokite kiekvieno komponento koncentraciją pusiausvyros metu.
Diskusija:
1. Nustatykite kiekvieno sistemos komponento koncentracijos pokytį.
\[ \text{N}_2(g) + 3 \text{H}_2(g) \text{NH}_3(g) \]
Tegu x yra NH₃ molių skaičius3 kuris susidaro pusiausvyros būsenoje, koncentracijos pokytis yra toks:
- N2: -x mol/l
- H2: -3x mol/l
- NH3+2x mol/l
2. Sudarykite pusiausvyros lygtį pagal pusiausvyros konstantą (Kc):
\[
K_c = ∫{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3} = 6.0 × 10^{-2}
\]
Pradinė koncentracija ir koncentracijos pokytis:
– [N2] = 1.00 – x
– [A.2] = 3.00 – 3x
– [NH.3] = 2x
3. Į pusiausvyros lygtį įrašykite šias vertes:
\[
6.0 × 10^{-2} = \frac{(2x)^2}{(1.00 – x)(3.00 – 3x)^3}
\]
4. Apskaičiuokite x reikšmę bandymų ir klaidų arba kitais skaitmeniniais metodais, kad išspręstumėte lygtį.
Po skaičiavimo gauname x = 0.46. Taigi:
– [N2] = 1.00 – 0.46 = 0.54 mol/L
– [A.2] = 3.00 – 3 (0.46) = 1.62 mol/L
– [NH.3] = 2(0.46) = 0.92 mol/l
2 klausimo pavyzdys: sieros rūgšties pramonė (kontaktinis procesas)
Klausimas:
Kontaktinio proceso metu sieros dioksido (SO2) į sieros trioksidą (SO3) per reakciją:
\[ 2 \text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \text{LEFTharpoons 2 \text{SO}_3(g) \]
Šios reakcijos pusiausvyros konstanta (K c ) esant 600 K temperatūrai yra 350. Jei reaktoriuje yra 0.50 mol SO₂ , 0.25 mol O₂ ir 0.10 mol SO₃ , apskaičiuokite komponentų koncentracijas pusiausvyros būsenoje 2.00 l tūryje.
Diskusija:
1. Nustatykite pradinę koncentraciją:
– [TAIP2]awal = 0.50 mol / 2.00 L = 0.25 M
– [O2]awal = 0.25 mol / 2.00 L = 0.125 M
– [TAIP3]awal = 0.10 mol / 2.00 L = 0.05 M
2. Tegu x yra SO₂ koncentracijos pokytis.3 kuris susidaro pusiausvyros metu:
– [TAIP2]: 0.25 – x
– [O2]: 0.125 – \(\frac{x}{2}\)
– [TAIP3]: 0.05 + x
3. Įtraukite į pusiausvyros lygtį:
\[
350 = ∫(0.05 + x)^2}{(0.25 – x)^2 ∫(0.125 – x2)}
\]
4. Išsprendus šią lygtį (skaitmeniniu metodu arba naudojant programuojamą skaičiuotuvą), nustatoma, kad x = 0.165. Tada:
– [TAIP2] = 0.25 – 0.165 = 0.085 M
– [O2] = 0.125 – \(\frac{0.165}{2}\) = 0.0425 M
– [TAIP3] = 0.05 + 0.165 = 0.215 M
3 pavyzdžio klausimas: etilbenzeno gamyba
Klausimas:
Gaminant etilbenzeną, stirenas gaunamas dehidrinant etilbenzeną (C6H5CH2CH3):
\[ \text{C}_6 \text{H}_5 \text{CH}_2 \text{CH}_3(g) \textleftharpoons \text{C}_6 \text{H}_5 \text{CH=CH}_2(g) + \text{H}_2(g) \]
Jei šios reakcijos pusiausvyros konstanta (K c ) esant 700 K temperatūrai yra 2.5, o 1.0 l tūryje iš pradžių yra 1.0 mol etilbenzeno, apskaičiuokite koncentraciją pusiausvyros metu.
Diskusija:
1. Nustatykite pradinę koncentraciją:
– [C6H5CH2CH3] = 1.0 M
– [C6H5CH=CH2] = 0 M (nes jis nebuvo suskaidytas)
– [A.2] = 0 M
2. Tegu x yra C koncentracijos pokytis6H5CH=CH2 kuris susidaro pusiausvyros metu:
– [C6H5CH2CH3]: 1.0 – x
– [C6H5CH=CH2]: x
– [A.2]: x
3. Įtraukite į pusiausvyros lygtį:
\[
2.5 = ∏_frac{x ∏_cdot x}{1.0 – x} = ∏_frac{x^2}{1.0 – x}
\]
4. Išsprendus šią kvadratinę lygtį, nustatoma, kad x = 0.62. Tada:
– [C6H5CH2CH3] = 1.0 – 0.62 = 0.38 M
– [C6H5CH=CH2] = 0.62 M
– [A.2] = 0.62 M
Šiuose trijuose pavyzdžiuose matėme, kaip cheminės pusiausvyros koncepcija taikoma skirtinguose pramonės kontekstuose. Cheminė pusiausvyra yra pagrindinis ir labai svarbus principas pramoniniuose procesuose, nes tikslus cheminės pusiausvyros valdymas gali pagerinti gamybos efektyvumą ir produkto kokybę. Išsamus cheminės pusiausvyros supratimas leidžia inžinieriui ar pramonės specialistui optimaliai projektuoti ir valdyti procesus.
