Jak osiągnąć 100% wydajnośi reakji?
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
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
Stan równowagi ois kinetyzny Nie oznaza to, że reakje nie biegną. Równowaga ma harakter dynamizny Film1`równowaga dynamizna NO.MOV
Dynamizny harakter równowagi 1 3 4 5 6
Prawo działania mas dla reakji aa + bb C + dd 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ) ( 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 ułamek molowy iśnienia arjalne stężenia
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
Wartość Tonst N Doświadzenie I ( g ) ( g ) 3( g ) + 3 H [ NH ] [ N ][ H Stężenia ozątkowe 3 [N ] 0 1.000 M [H ] 0 1.000 M [NH 3 ] 0 0 M ] 3 NH Stężenia równowagowe [N ] 0.91 M [H ] 0.763 M [NH 3 ] 0.157 M + 9 kj 6.0 10 - II [N ] 0 0 M [H ] 0 0 M [NH 3 ] 0 1.000 M [N ] 0.399 M [H ] 1.197 M [NH 3 ] 0.03 M 6.0 10 - III [N ] 0.000 M [H ] 0 1.000 M [NH 3 ] 0 3.000 M [N ].59 M [H ].77 M [NH 3 ] 1.8 M 6.0 10 -
Czynniki wływająe na wartość Temeratura Ciśnienie (tylko x ) Zais równania stehiometryznego
Czynniki wływająe na wartość Temeratura G - RT ln() ln( ) egzo H<0 endo H>0 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 temeratura jest funkją temeratury!
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 4 4 1 3 4 3 1 1 ] [ ] ][ [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ][ [ ] [ 1 1 HI I H I H HI I H HI I H HI Zais równania stehiometryznego
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
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
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 O HCl (r) + H O () H 3 O + (r)+ Cl - + [ H3Or ][ Cl (r) [ HCl ] [ Ag + r ( g ) ] [ Ni( CO) 4 [ CO] 4 ][ Cl r ] r ] r ] H O ( g ) Ni( CO) 4 CO 4
Sosoby wyznazania Pomiar stężeń równowagowyh Pomiar temeraturowej zależnośi ieeł właśiwyh Pomiar siły elektromotoryznej ogniw
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
Równoważnik reakji aa + bb C + dd Q A 0, B 0, C 0, D 0 - stężenia ozątkowe C A 0 a 0 D B d 0 b 0 ozwala rzewidzieć, w którą stronę obiegnie reakja
Równoważnik reakji Wyrażenie H (g) + F (g) HF(g) Q H HF 0 F 0 0
Równoważnik reakji Przewidywanie kierunku rzebiegu reakji Q Q Q reakja biegnie w stronę roduktów reakja w stanie rónowagi reakja biegnie w stronę substratów
Oblizenia równowagowe Zastosowanie 1. Przewidywanie kierunku rzebiegu reakji. Oblizanie stonia rzereagowania 3. Oblizanie stężeń równowagowyh 4. Zwiększanie wydajnośi reakji
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 wyr ażenia na 7. Rozwiąż równanie 8. Obliz stężenia równowagowe 9. Srawdź wartość odstawiają oblizone stężenia
Oblizanie równowagowego stonia rzemiany (x) Przykład T700 5.10 V1.0 dm 3 n 1.0 mol każdego reagenta C1 mol/dm 3 [ CO ][ H ] 5.1 [ CO][ H O] Q 1 < CO H O CO H n [mol] 1 1 1 1 o [mol/dm 3 ] 1 1 1 1 zmiana stoień rzemiany CO(g) ) + H O(g) CO (g) + H (g) -x -x +x +x r [mol/dm 3 ] 1-x 1-x 1+x 1+x
Oblizanie równowagowego stonia rzemiany (x) 3 / 0.39 0.387.6 5.1 1 1 5.1 1) ( 1) ( 1) 1)( ( 1) 1)( ( dm mol x x x x x x x x x + + + +
Reguła rzekory Le Châtelier Jeżeli do układu w stanie równowagi wrowadzona jest zmiana, ołożenie równowagi rzesuwa się w kierunku rzeiwdziałająym tej zmianie.
Reguła rzekory Czynniki wływająe na ołożenie równowagi Stężenie Ciśnienie Temeratura
Czynniki wływająe na ołożenie równowagi Związek między iśnieniem i stężeniem gazu V nrt n RT V RT zatem jeżeli Tonst 6
Czynniki wływająe na ołożenie równowagi Zmiany stężenia (iśnienia gazów) Nastęująa reakja jest w stanie równowagi w 450 o C ( 49) H (g) + I (g) [ HI] [ H ][ I ] HI 49 Jeżeli do układu w stanie równowagi dodajemy H Q< reakja biegnie w Jeżeli do układu w stanie równowagi ujmujemy H Q> reakja biegnie w ( g ) 7
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
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
Czynniki wływająe na ołożenie równowagi Zmiany temeratury f ( T ) ln( ) S R H RT egzo H<0 temeratura endo H>0 ty reakji efekt ielny temeratura kierunek rzebiegu reakji egzotermizne H<O endotermizne H>O
Czynniki wływająe na ołożenie równowagi atalizator Nie wływa na ołożenie stanu równowagi 31
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
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 650-70 Fe - 98% (15% na ykl) kwas azotowy 5% inne (hemizny, aierowy, itd..) 8% nylon 7% nawozy sztuzne 80% 33
Proes Habera-Bosha Zwiększanie wydajnośi N + 3H Fe&metal oxides NH ( ) ( g) 3( g) g G -3.90 kj/mol H -9. kj/mol S -197 J/mol/ Jednak Reakja jest wolna jeżeli T jest mała Jednak jeżeli T to wydajność reakji sada 34
Czynniki wływająe na ołożenie równowagi N + ( ) +3H ( ) NH ( ) 9kJ g g 3 g a. Dodatek H b. Dodatek N Reaktor rzeływowy. Usuwanie NH 3 d. Wzrost iśnienia (rzez zmniejszanie objętośi) e. Odrowadzanie ieła 35
Proes Habera-Bosha Shemat instalaji 36
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
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
Uses of the Equilibrium Constant, SO + NO SO + NO (g) (g) 3(g) (g) Initial 0.500 M 0.500 M 0 0 39
Uses of the Equilibrium Constant, SO + NO SO + NO (g) (g) 3(g) (g) Initial 0.500 M 0.500 M 0 0 Change - XM - XM + XM + XM 40
Uses of the Equilibrium Constant, SO + NO SO + NO (g) (g) 3(g) (g) Initial 0.500 M 0.500 M 0 0 Change - X M - X M + XM + XM ( 0500. ) ( 0500. ) Equilibrium X M X M XM XM 41
Uses of the Equilibrium Constant, ( 0500. ) ( 0500. ) [ SO ][ NO] 3 ( X)( X) 300. SO NO ( 0500. X)( 0500. X) [ ][ ] SO + NO SO + NO Initial 0.500 M 0.500 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
Uses of the Equilibrium Constant, ( 0. 500 ) ( 0. 500 ) [ SO3][ NO] ( X)( X) 300. SO NO ( 0. 500 X)( 0. 500 X) [ ][ ] 0316. M [ SO3] [ NO]. X M. M [ SO ] [ NO ] ( ) SO + NO SO + NO Initial 0.500 M 0.500 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 ; 0.865-1.73 X X;. 73X 0. 865 0500. X X 0 500 0184 43