Аж үйлдвэрийн ертөнц дэх химийн тэнцвэрийн талаарх жишээ асуултууд
Химийн тэнцвэрт байдал нь химийн салбарт чухал ойлголт бөгөөд үйлдвэрлэлийн янз бүрийн салбарт өргөн хэрэглэгддэг. Химийн урвалын үед шууд урвалын хурд нь урвуу урвалын хурдтай тэнцүү байх үед тэнцвэрт байдал үүсдэг тул урвалж бодис болон бүтээгдэхүүний концентраци цаг хугацааны явцад тогтмол хэвээр байна. Эмийн үйлдвэрлэл, нефть химийн үйлдвэрлэл, хүнсний боловсруулалт зэрэг олон салбар үйлдвэрлэл, үр ашгийг оновчтой болгохын тулд химийн тэнцвэрт байдлыг ойлгож, хянахаас ихээхэн хамаардаг. Энэ нийтлэлд үйлдвэрлэлийн хүрээнд химийн тэнцвэрт байдалтай холбоотой хэд хэдэн жишээ, тэдгээрийг хэрхэн шийдвэрлэх талаар авч үзэх болно.
Жишээ асуулт 1: Аммиакийн үйлдвэрлэл (Haber-Bosch процесс)
Асуулт:
Хабер-Бошийн процесс нь аммиак (NH) үүсгэдэг.3) азотоос (N)2) болон устөрөгч (H2) урвалын дагуу:
\[ \text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g) \]
500 К температурт энэ урвалын тэнцвэрийн тогтмол (K c ) нь 6.0 x 10^-2 байна. Хэрэв бид 1.00 л эзэлхүүнтэй реакторт 1.00 моль N2 ба 3.00 моль H2-оос эхэлбэл тэнцвэрт байдал дахь бүрэлдэхүүн хэсэг бүрийн концентрацийг тооцоолно уу.
Хэлэлцүүлэг:
1. Системийн бүрэлдэхүүн хэсэг бүрийн концентрацийн өөрчлөлтийг тодорхойл.
\[ \text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g) \]
x-ийг NH-ийн моль гэж үзье.3 тэнцвэрт байдалд үүссэн бол концентрацийн өөрчлөлт дараах байдалтай байна.
- N2: -x моль/л
- Х2: -3x моль/л
– NH3: +2x моль/л
2. Тэнцвэрийн тогтмол (K) дээр үндэслэн тэнцвэрийн тэгшитгэлийг зохион байгуул.c):
\[
K_c = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2][\text{H}_2]^3} = 6.0 \times 10^{-2}
\]
Анхны концентраци ба концентрацийн өөрчлөлт:
– [Н]2] = 1.00 – x
– [H]2] = 3.00 – 3x
– [NH]3] = 2x
3. Эдгээр утгуудыг тэнцвэрийн тэгшитгэлд оруулна уу:
\[
6.0 \times 10^{-2} = \frac{(2x)^2}{(1.00 – x)(3.00 – 3x)^3}
\]
4. Тэгшитгэлийг бодохын тулд туршилт ба алдаа эсвэл бусад тоон аргуудыг ашиглан x-ийн утгыг тооцоол.
Тооцооллын дараа бид x = 0.46 авна. Тиймээс:
– [Н]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
Жишээ асуулт 2: Хүхрийн хүчлийн үйлдвэрлэл (Холбоо барих үйл явц)
Асуулт:
Холбоо барих процесст хүхрийн давхар исэл (SO4) хувирдаг2) хүхрийн гурван исэл (SO4) болж хувирдаг3) урвалаар дамжуулан:
\[ 2\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{SO}_3(g) \]
600 К температурт энэ урвалын тэнцвэрийн тогтмол (K c ) нь 350 байна. Хэрэв реакторт 0.50 моль SO2, 0.25 моль O2, болон 0.10 моль SO3 агуулагдаж байвал 2.00 л эзэлхүүн дэх тэнцвэрт байдал дахь бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн концентрацийг тооцоолно уу.
Хэлэлцүүлэг:
1. Анхны концентрацийг тодорхойлно уу:
– [SO]2]авал = 0.50 моль / 2.00 л = 0.25 М
– [О]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-ийг SO4 концентрацийн өөрчлөлт гэж үзье.3 тэнцвэрт байдалд үүсдэг:
– [SO]2]: 0.25 – x
– [О]2]: 0.125 – \(\frac{x}{2}\)
– [SO]3]: 0.05 + x
3. Тэнцвэрийн тэгшитгэлд залгана уу:
\[
350 = \frac{(0.05 + x)^2}{(0.25 – x)^2 \cdot (0.125 – \frac{x}{2})}
\]
4. Энэ тэгшитгэлийг бодсоноор (тоон арга эсвэл програмчлагдах тооны машин ашиглан) x = 0.165 болохыг олж мэдсэн. Тэгвэл:
– [SO]2] = 0.25 – 0.165 = 0.085 M
– [О]2] = 0.125 – \(\frac{0.165}{2}\) = 0.0425 M
– [SO]3] = 0.05 + 0.165 = 0.215 M
Жишээ асуулт 3: Этилбензолын үйлдвэрлэл
Асуулт:
Этилбензол үйлдвэрлэхэд стиролыг этилбензолын (C) дегидрогенжуулалтаар үүсгэдэг.6H5CH2CH3):
\[ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{CH}_3(g) \rightleftharpoons \text{C}_6\text{H}_5\text{CH=CH}_2(g) + \text{H}_2(g) \]
Хэрэв 700 К температурт энэ урвалын тэнцвэрийн тогтмол (K c ) нь 2.5 бөгөөд 1.0 л эзэлхүүнд анх 1.0 моль этилбензол байгаа бол тэнцвэрийн үеийн концентрацийг тооцоолно уу.
Хэлэлцүүлэг:
1. Анхны концентрацийг тодорхойлно уу:
– [C]6H5CH2CH3] = 1.0 М
– [C]6H5CH=CH2] = 0 M (учир нь задраагүй)
– [H]2] = 0 М
2. x-ийг C-ийн концентрацийн өөрчлөлт гэж үзье.6H5CH=CH2 тэнцвэрт байдалд үүсдэг:
– [C]6H5CH2CH3]: 1.0 – x
– [C]6H5CH=CH2]: x
– [H]2]: x
3. Тэнцвэрийн тэгшитгэлд залгана уу:
\[
2.5 = \frac{x \cdot x}{1.0 – x} = \frac{x^2}{1.0 – x}
\]
4. Энэхүү квадрат тэгшитгэлийг бодсоноор x = 0.62 болохыг тогтоов. Тэгвэл:
– [C]6H5CH2CH3] = 1.0 – 0.62 = 0.38 M
– [C]6H5CH=CH2] = 0.62 М
– [H]2] = 0.62 М
Эдгээр гурван жишээнд бид химийн тэнцвэрийн тухай ойлголтыг үйлдвэрлэлийн янз бүрийн нөхцөлд хэрхэн хэрэгжүүлж байгааг харсан. Химийн тэнцвэрт байдал нь үйлдвэрлэлийн процесст үндсэн бөгөөд чухал зарчим бөгөөд химийн тэнцвэрийг нарийн хянах нь үйлдвэрлэлийн үр ашиг, бүтээгдэхүүний чанарыг сайжруулж чаддаг. Химийн тэнцвэрийн талаарх бүрэн ойлголт нь инженер эсвэл үйлдвэрлэлийн мэргэжилтэнд процессыг оновчтой зохион бүтээх, ажиллуулах боломжийг олгодог.
