Jak osiągnąć 100% wydajności reakcji?

Transkrypt

1 Jak osiągnąć 100% wydajnośi reakji?

2 Stan równowagi ois termodynamizny G 0 A A G + RT ln(q)o B B C (a) (b) wówzas G - RT ln() stała równowagi a) G <0, roes zmierza w określonym kierunku b) Stan równowagi osiągnięty gdy G 0

3 Stan równowagi ois termodynamizny jest funkją temeratury! G - RT ln() ln( ) G ln o ( ) o G RT o H T S e H RT S R o e H RT o o + o S R o

4 Stan równowagi ois kinetyzny Stan, w którym stężenia reagentów są stałe w zasie N (g) + 3H (g) NH 3 (g) 13_315 Conentration Equilibrium H NH 3 N Time

5 Stan równowagi ois kinetyzny Nie oznaza to, że reakje nie biegną. Równowaga ma harakter dynamizny Film1`równowaga dynamizna NO.MOV

6 Dynamizny harakter równowagi

7 Prawo działania mas dla reakji aa + bb C + dd ) ( 1 ) ( ), ( dm mol T f atm T f T f x x x x b B a A d D C b B a A d D C b B a A d D C x Sosoby wyrażania stałyh równowag

8 Zależnośi omiędzy stałymi b a d i + ν ( ) ( ) i i RT T T T T x x ν ν 0 0 ) (, ) (, 0 i ν Zauważmy, że ) ( ) ( ), ( T T T x

9 Wartość Tonst N Doświadzenie I ( g ) ( g ) 3( g ) + 3 H [ NH ] [ N ][ H Stężenia ozątkowe 3 [N ] M [H ] M [NH 3 ] 0 0 M ] 3 NH Stężenia równowagowe [N ] 0.91 M [H ] M [NH 3 ] M + 9 kj II [N ] 0 0 M [H ] 0 0 M [NH 3 ] M [N ] M [H ] M [NH 3 ] 0.03 M III [N ] M [H ] M [NH 3 ] M [N ].59 M [H ].77 M [NH 3 ] 1.8 M

10 Czynniki wływająe na wartość Temeratura Ciśnienie (tylko x ) Zais równania stehiometryznego

11 Czynniki wływająe na wartość 1) H (g) + I (g) HI (g) ) ½H (g) + ½I (g) HI (g) 3) H (g) + I (g) 4HI (g) 4) HI (g) H (g) + I (g) ] [ ] ][ [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ][ [ ] [ 1 1 HI I H I H HI I H HI I H HI Zais równania stehiometryznego reakji

12 Czynniki wływająe na wartość Zais równania stehiometryznego reakji P (g) + 3Cl (g) PCl 3(g) x 1 1 PCl 3(g) + Cl (g) PCl 5(g) x P (g) + 5Cl (g) PCl 5(g) 3 3 1

13 Stała równowagi reakji heterogeniznyh CaCO 3 (s) CaO(s) + CO (g) [CO ] The osition of a heterogeneous equilibrium does not deend on the amounts of ure solids or liquids resent. CaCO 3 CaO CaCO 3 CaO

14 Stała równowagi reakji heterogeniznyh Przykłady Stężenia reagentów w zystyh fazah skondensowanyh są stałe. H O () H O (g) Ni (s) + 4CO (g) Ni(CO) 4(g) AgCl (s) Ag+ (r) + Cl - (r) [ H HCl (r) + H O () H 3 O + (r)+ Cl - + [ H 3Or ][ Cl (r) [ HCl ] [ Ag O ( g ) ] 4 [ CO ] [ Ni( CO ) + r ][ Cl r 4 ] r ] r ] H O ( g ) CO 4 Ni ( CO ) 4

15 Sosoby wyznazania Pomiar stężeń równowagowyh Pomiar temeraturowej zależnośi ieeł właśiwyh Pomiar siły elektromotoryznej ogniw

16 Prawo działania mas Synteza wiadomośi 1. Równowaga ma harakter dynamizny. Wartość T, 3. Wartość zaisu równania stehiometryznego 4. W stanie równowagi wystęują wszystkie reagenty 5. Jeżeli >>1 w stanie równowagi dominują rodukty 6. Jeżeli znamy wartość i stężenia aktualne to można określić : - zy układ jest w stanie równowagi -w którą stronę biegnie reakja

17 Równoważnik reakji aa + bb C + dd Q C A a D B d b... hels to determine the diretion of the move toward equilibrium. the law of mass ation is alied with initial onentrations.

18 Równoważnik reakji Wyrażenie H (g) + F (g) HF(g) Q H HF 0 F 0 0

19 Równoważnik reakji Przewidywanie kierunku rzebiegu reakji Q reakja biegnie w stronę roduktów Q Q reakja w staniereakja biegnie w rónowagi stronę substratów

20 Oblizenia równowagowe Zastosowanie 1. Przewidywanie kierunku rzebiegu reakji. Oblizanie stonia rzereagowania 3. Oblizanie stężeń równowagowyh 4. Zwiększanie wydajnośi reakji

21 Oblizenia równowagowe Algorytm 1. Zaisz równanie stehiometryzne. Zaisz wyrażenie na 3. Obliz Q 4. Określ kierunek rzebiegu reakji 5. Zbilansuj stężenia w tabeli 6. Podstaw stężenia do wyrażenia na 7. Rozwiąż równanie 8. Obliz stężenia równowagowe 9. Srawdź wartość odstawiają oblizone stężenia

22 Oblizanie równowagowego stonia rzemiany (x) Przykład CO(g) ) + H O(g) CO (g) + H (g) T V1 dm 3 n 1 mol każdego reagenta [ CO][ H ] [ CO][ H O] Q 1< 5.1 CO H O CO H n [mol] o [mol/dm 3 ] zmiana stoień rzemiany -x -x +x +x r [mol/dm 3 ] 1-x 1-x 1+x 1+x

23 Oblizanie równowagowego stonia rzemiany (x) ( x ( x x x x + 1)( x 1)( x + 1) 1) ( ( x x ) 1) 5.1

24 Reguła rzekory Le Châtelier Jeżeli do układu w stanie równowagi wrowadzona jest zmiana, ołożenie równowagi rzesuwa się w kierunku rzeiwdziałająym tej zmianie.

25 Reguła rzekory Czynniki wływająe na ołożenie równowagi Stężenie: The system will shift away from the added omonent. Temeratura: will hange deending uon the temerature (treat the energy hange as a reatant). Ciśnienie: a. Addition of inert gas does not affet the equilibrium osition. b. Dereasing the volume shifts the equilibrium toward the side with fewer moles.

26 Czynniki wływająe na ołożenie równowagi zauważmy, że V nrt n RT V RT zatem jeżeli Tonst 6

27 Czynniki wływająe na ołożenie równowagi Zmiany stężenia (iśnienia w rzyadku gazów) Nastęująa reakja jest w stanie równowagi w 450 o C ( 49) H (g) + I (g) [ HI] [ H ][ I ] HI Jeżeli do układu w stanie równowagi dodajemy H 49 ( g ) Q< reakja biegnie w Jeżeli do układu w stanie równowagi ujmujemy H Q> reakja biegnie w 7

28 Czynniki wływająe na ołożenie równowagi Zmiana objętośi (i iśnienia dla gazów) NO N O ( g) 4( g) [ N ] O4 [ NO ] Jeżeli w stanie równowagi V ( ) Q< reakja biegnie w Jeżeli w stanie równowagi V ( ) Q> reakja biegnie w 8

29 Czynniki wływająe na ołożenie równowagi Zmiany temeratury Nastęująa reakja jest w stanie równowagi SO + O SO +198 kj ( ) ( ) ( ) g g 3g Jeżeli w stanie równowagi T reakja biegnie w Jeżeli w stanie równowagi T reakja biegnie w 9

30 Czynniki wływająe na ołożenie równowagi Zmiany temeratury f ( T ) Ty reakji Efekt ielny temer atura ierunek rzebiegu reakji ln( ) S R H RT egzotermi zne endotermi zne H<O H>O

31 Czynniki wływająe na ołożenie równowagi atalizator Nie wływa na ołożenie stanu równowagi 31

32 Czynniki wływająe na ołożenie równowagi Przykład N O 4 ( g) ( g) [ NO] [ N O ] NO 4 H 58kJ (a) stan ozątkowy (b) równowaga () wzrost T, wzrost V, obniżenie

33 Proes Habera-Bosha Przemysłowe otrzymywanie amoniaku Fe&metal oxides o N + 3H NH H 9.kJ N ( g) ( g) 3( g) fromliquidair H rozna g światowa rodukja ( ) ( g) fromoal 140 ml tongas o runrxn. T450C&P00to1000atm reagenty iśnienie temeratura katalizaor konwersja 75% H, 5% N 150 atm Fe - 98% (15% na ykl) kwas azotowy 5% inne (hemizny, aierowy, itd..) 8% nylon 7% nawozy sztuzne 80% 33

34 Proes Habera-Bosha Shemat instalaji 34

35 Proes Habera-Bosha Zwiększanie wydajnośi N Fe & metaloxides o + 3 H NH H 9. ( g ) ( g ) 3( g ) kj G < 0 srzyja H < 0 srzyja S < 0 nie srzyja Reakja jest wolna jeżeli T jest mała Jednak jeżeli T to wydajność reakji sada Zwiększenie wydajnośi można osiągnąć orzez: Wzrost Dodawanie N i odbieranie NH 3 reaktor rzeływowy Układ nie osiąga stanu równowagi 35

36 Czynniki wływająe na ołożenie równowagi Przykład Reakja syntezy amoniaku rzebiega w temeraturze 500 o C z udziałek katalizatora żelazowego. Jak zwiększyć jej wydajność? N ( g ) + 3 H ( g ) NH 3( g ) 9 kj + a. Dodatek H b. Dodatek N Reaktor rzeływowy. Usuwanie NH 3 d. Wzrost iśnienia (rzez zmniejszanie objętośi e. Wzrost temeratury f. Sadek temeratury 36

37 Czynniki wływająe na ołożenie równowagi Przykład Given the reation below at equilibrium in a losed ontainer at 500 o C. How would the equilibrium be influened by the following? N + 3 H ( g ) ( g ) 3( g ) NH + 9 kj a. Inreasing the temeratu re left b. Dereasing the temeratu re right. Inreasing the ressure by dereasing the volume right d. Introduin g some latinum atalyst e. Foring more H into the system f. Removing some NH from the system 3 no effet right right 37

38 Uses of the Equilibrium Constant, Examle: The equilibrium onstant,, is 3.00 for the following reation at a given temerature. If 1.00 mole of SO and 1.00 mole of NO are ut into an evauated.00-liter ontainer and allowed to reah equilibrium, what will be the onentration of eah omound at equilibrium? SO + NO SO + NO (g) (g) 3(g) (g) 38

39 Uses of the Equilibrium Constant, SO + NO SO + NO (g) (g) 3(g) (g) Initial M M

40 Uses of the Equilibrium Constant, SO + NO SO + NO (g) (g) 3(g) (g) Initial M M 0 0 Change - XM - XM + XM + XM 40

41 Uses of the Equilibrium Constant, SO + NO SO + NO (g) (g) 3(g) (g) Initial M M 0 0 Change - X M - X M + XM + XM ( ) ( ) Equilibrium X M X M XM XM 41

42 Uses of the Equilibrium Constant, ( ) ( ) [ SO ][ NO] 3 ( X)( X) 300. SO NO ( X)( X) [ ][ ] SO + NO SO + NO Initial M M 0 0 Change - XM - XM + XM + XM Equilibrium X M X M XM XM (g) (g) 3(g) (g) equation is a erfet square, take of both sides 4

43 Uses of the Equilibrium Constant, ( ) ( ) [ SO3][ NO] ( X)( X) 300. SO NO ( X)( X) [ ][ ] M [ SO3] [ NO]. X M. M [ SO ] [ NO ] ( ) SO + NO SO + NO Initial M M 0 0 Change - X M - X M + X M + X M Equilibrium X M X M X M X M (g) (g) 3(g) (g) equation is a erfet square, take of both sides X 1.73 ; X X;. 73X X X