әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті Химия және химиялық технология

катализ және мұнайхимиясы кафедрасы

3 дәріс. Химия-технологиялық процестеріндегі негізгі заңдылықтары. Технологиялық

процестерідегі тепе-теңдік. Тепе-теңдік константасы және оны анықтау әдістері.


Бакалавриат, 3 курс; мамандығы – 050720 – “Бейорганикалық заттардың химиялық технологиясы”, қ/б; көктемгі семестр, 3 кредит
 
Лектор: х.ғ.к., доцент Жакирова Н.К.




Алматы 2015

оны өңдеу
Химиялық өзгеріс:
Реагенттерді реакция аймағына жеткізу молекулалардың диффузиялануы немесе конвексиялануы

арқылы іске асады. Көп фазалық жүйелерде реагенттерді реакция аймағына жеткізу,
- газдарды адсорбциялау немесе
- десорбциялау арқылы
- буды конденсациялау арқылы
- қатты затты еріту
- сұйықтарды буға айналдыру арқылы іске асады.
Химиялық реакция химия-технологиялық процестің екінші және негізгі сатысы
Өндірілген өнімді реакция аймағынан шығару
- молекулаларды диффузиялау
- конвенциялау арқылы
- заттарды бір фазадан екінші фазаға аудару арқылы жүзеге асады
3. Мақсатты өнім алу.

өзі өте жай жүретін болса, онда процесс кинетикалық аймақта жүреді.

Мұндай технологиялық процестердің жылдамдығын арттыру үшін:
Бастапқы реагенттердің концентрациясын көбейту;
Температураны жоғарылату;
Қысымды жоғарылату;
Катализатор қолдану керек.

2. Егер технологиялық процесстің жалпы жылдамдығы реакцияласушы реагенттерді реакция аймағына жеткізу жылдамдығымен немесе өнген өнімдерді реакция аймағынан шығару жылдамдығымен шектелінсе – процесс диффиязиялық аймақта жүреді.
Мұндай процестерді жылдамдату үшін диффузия жылдамдығын арттыру керек. Ол үшін:
Араластыру процесін жеделдету;
Ұсақтау;
Концентрацияны жоғарылату;
Системаны гомогендеу керек.

3. Егер технологиялық процестің барлық сатыларының жылдамдығы шамалас болса, процесс өтпелі аймақта жүреді.
Мұндай процестің жылдамдығын арттыру үшін диффузияға және химиялық реакцияның жылдамдығына әсер ететін факторларды өзгерту керек.
 

Химиялық реакциялар қайтымды және

қайтымсыз болып бөлінеді.
Шындығында барлық реакциялар қайтымды. Берілген жағдайда байланысты (Т,Р,С) реакция тура және кері жүре алады. Дегенмен көптеген химиялық реакциялар бір бағытта өте аз жылдамдықпен (іс жүзінде ноль жылдамдықпен) жүре алады, сондықтан мұндай реакцияларды шартты түрде қайтымсыз реакция деп санайды.
Мысалы, Әк «сүтінің» СО2-ні сіңіру реакциясы
 
CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O
 
Іс жүзінде қайтымсыз, өйткені түзілген CaCO3 суда аз ериді, сөйтіп тұнбаға түседі. Технологиялық процестерді іске асырғанда ең алдымен мынаны білу керек:
Таңдап алған шикізатты өңдегенде қандай реакция жүреді (қайтымды-қайтымсыз).
Берілген өнімді қамтамасыз ететін негізгі реакция қаншалықты терең жүреді.
Мақсатты өнімінің максималды шығымы қандай.

Негізгі реакцияның қаншалықты терең жүретінін реакцияның тепе-теңдік орнау жағдайларынан білеміз. Сондықтан тепе-теңдікте жүретін реакцияға оптималдық жағдайларды орнатуды білу керек.

системаның жағдайының (С,Т,Р) біреуін өзгерту тепе-теңдікті сол өзгертуге қарсы әрекет

туғызатын реакция бағытына қарай ығыстырылады.

Мысалы, егер қайтымды экзотермиялық күкіртті ангидридті тотығу реакциясы жүрсе

SO2+1/2O2→SO3+Q 

Онда бөлінген жылудың әсерінен реакциялық қоспаның температурасы артады да тепе-теңдік солға қарай жылжиды, сөйтіп мақсатты өнімнің (SO3) шығымы азаяды. Бұлай болмас үшін жылуды системадан алып кету керек.

Енді қайтымды эндотермиялық реакцияны қарастырайық.
Метанды судың буымен конверсиялау реакциясы жылуды сіңіре жүреді.
CH4+H2O→CO+3H2-Q
бұл реакцияда система суығанда жылу беру керек, сонда тепе-теңдік оң жаққа, яғни өнім алатын жаққа қарай жылжиды. Сонымен қатар температура көтерілгенде тепе-теңдік эндотермиялық реакция бағытына қарай, ал температура төмендегенде экзотермиялық реакция бағытына қарай ығысады. Мұны Ван-Гофф заңы дейді. Ван-Гофф заңы Ле-Шателье принципінің бір түрі.

болса, онда тепе-теңдікке қысымның да әсері болады.
Ле-Шателье принципі бойынша

тепе-теңдікте тұрған системаның сыртқы қысымын арттырғанда тепе-теңдік системадағы молекулалардың жалпы саны азаятын реакцияның бағытына қарай ығысады. Реакция кезінде газ көлемінің өзгеруі әртүрлі мынадай үш түрлі процесті қарастырайық.
N2+3H2→2NH3
CH4→C+2H2
CO+H2O→H2+CO2
Бірінші реакция газдың көлемінің кемуімен жүреді, яғни қысымның азаюымен. Ле-Шателье принципіне сәйкес теңдікті солдан оңға қарай жылжыту үшін қысымды арттыру керек. Шындығында бұл процес 32,0МПа қысымда жүреді.
Екінші реакция көлемнің ұлғаюымен жүреді яғни теңдікті солдан оңға қарай ығыстыру үшін қысымды төмендету керек.
Үшінші реакцияға қысымның өзгеруі әсер етпейді, өйткені системаның көлемі өзгермейді.

жылдамдығын өсіреді.

3. Араластырудың әсері – молекулалық диффузияны конвективті диффузияға ауыстыру

нәтижесінде процестің жылдамдық константасын көбейтеді.
Гомогенді процестерде араластыру реакция саласындағы концентрацияны теңестіреді, реакцияласушы молекулалардың түйісуінің саны артады.
Гетерогенді системаларды араластыру баяу молекулалар диффузиясын жылдам конвективтік диффузияға аударады.

4. Концентрацияның әсері. Химиялық реакцияны тездету үшін реакцияласушы заттардың молекулалары жиі түйісуі қажет, түйісуді жиілету үшін реакцияласушы молекулалардың концентрациясын өсіру қажет.
Химиялық реакцияның жылдамдығы реакцияласушы заттар концентрациясының көбейтіндісіне тура пропорционал (әрекеттесуші массалар заңы).
V = K[A]n*[B]m
К-жылдамдық константасы, реакцияласушы заттардың концентрациясы 1 тең болғанда, ол реакция жылдамдығына тең. К-әрбір рекцияның өзіне лайықты тұрақты шама, ол тек реакцияласушы заттардың табиғатына қарай және температураға тәуелді өзгертеді.

5. Катализдің әсері. Катализатор реакцияның жылдамдығын өзгертіп бірақ реакция нәтижесінде өздері химиялық өзгермей қалатын заттар.
Катализатор қатысуымен болатын процестер табиғатта да ,өнеркәсіптеде өте көп. Қазіргі заманның өнеркәсібінің 90% катализатор қатысуымен жүреді. Әрбір реакцияға өзіне тән катализатор болады. Көп жағдайда түрлі катализатор қолдану арқылы бір заттан әр түрлі өнім алуға болады.