5.4 Тепе-теңдіктегі технологиялық процестер

Химиялық–технологиялық процестерін жүргізгенде химиялық реакциялардың толық аяқталғанын немесе тепе-теңдікте жүретін реакияларға оңтайлы жағдайларды орнатуды білу керек.

Жылжымалы тепе-теңдік, тіке және кері жүретін реакциялар, жылдамдығы теңескенде орнайды. Динамикалық тепе-теңдікке келген жүйенің жағдайын өзгертпесе, қаншада болса ұзақ уақыт сақтауға болады. Ал реакцияға қатысушы заттың біреуінің болса да концентрациясының болмашы өзгертсек болғаны, тепе-теңдік бұзылып, ауып, заттардың барлығының консцентрациясы өзгере бастайды. Тепе-теңдіктің бұзылуынан концентрациялардың өзгеру процессін теп-теңдіктен ығысу дейді.

Тепе-теңдік туу жағдайын математика тіліне аударайық:

А + Б ↔ В + Г

υ₁ = к₁ [A][Б]; υ₂ = k₂ [В][Г]

Химиялық тепе-теңдік кезінде υ₁ = υ₂ демек k₁[A][Б] = k₂ [В][Г] болады.

к₁ және k₂ тұрақты шамалар, ендеше олардың қатынасы да тұрақты шама, К мен белгілеп, тепе-теңдік константасы деп атаймыз.

Тепе-теңдік константасы әрбір реакцияны сипаттайтын өзіне ғана тұрақты шама.

Константаның физикалық мәні:

К= k₁/ k₂

Демек, концентрация бірге тең болып, температура бірдей болған жағдайда, тіке реакция кері реакциядан неше есе жылдам жүретінін көрсетеді. К-концентрацияның өзгергенінен өзгермейді, бірақ температураға тәуелді болады.

Химиялық тепе-теңдік константасын іс жүзінде қолданатын маңызды ережелер:

1. Қайтымды процесте реакциялаушы заттың біреуін толығырақ пайдалану үшін, оны екіншісінен артық алу керек.

2. Түзілуші заттар қайта реакцияласа алмау үшін, оның біреуін реакциядан шығарса, тепе-теңдік ыңғай сол шығарылған заттың орнын толтыратын жаққа қарай ауады, бұл жағдайда қайтымды реакция аяғына дейін барады.

Ле-Шателье принципі – термодинамикалық тепе-теңдік тұрған жүйеге тепе-теңдік күйін анықтаушы кез келген бір параметрін өзгертіп сырттан әсер етсе, жүйеде сыртқы күштің әсерін төмендететін бағыттағы процесс күшейеді дейтін ереже.

Химиялық тепе-теңдік күйіне келіп тұрған жүйенің жағдайын (концентрация, температура, қысым) біреуін өзгерту, тепе-теңдікті сол өзгертуге қарсы туғызатын реакция бағытына қарай ығыстырады.

Температура көтерілгенде тепе-теңдік эндотермиялық реакция бағытына қарай, ал температура төмендегенде экзотермиялық реакция бағытына қарай ығысады. Мұны Вант-Гофф заңы деп атайды. Вант-Гофф заңы Ле-Шателье принципінің бір жеке түрі.

Химиялық тепе-теңдік тұрған заттардың ішінде газ күйіндегі заттар болса, онда тепе-теңдікке қысымның да әсері болады.

Ле-Шателье принципіне сәйкес тепе-теңдікте тұрған жүйенің сыртқы қысымын күшейткенде тепе-теңдік жүйедегі молекулаларының жалпы саны азаятын реакцияның бағытына қарай ығысады. Керісінше, сыртқы қысымды азайтқанда тепе-теңдік жүйедегі молекулаларының жалпы саны көбейетін реакцияның бағытына қарай, яғни ішкі қысымның өсу жағына қарай ығысады. Мысалы,

N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃ + Q

5.5 Химиялық реакцияның жылдамдығы

Химиялық реакцияның жылдамдығы кесімді уақыт ішінде реакциялаушы заттардың концентрациясының өзгеруімен анықталады.

Химиялық реакцияның жылдамдығына, реакциялаушы заттардың табиғи қасиетіненбасқа, реакциялық жағдай да әсер етеді (олар: теспература, реакциялаушы заттардың концентрациясы, катализатор қатысуы).

Осы жағдайдың әсеріне байланысты химиялық реакциялардың жылдамдығын зерртеуді – химиялық кинетика дейді, яғни химиялық процестердің жылдамдығын зерттейтін химия ғылымдарының арнаулы бір саласы.

Температураның әсері. Тесператураны өсіргенде молекулалардың қозғалыс жылдамдығы артады, демек, олардың өзара кездесіп соқтығысуы жиілейді. Тесператураны әрбір 10­­­­⁰ өсіргенде реакцияның жылдамдығы 2-4 есе артады. Кездесіп түйісетін бөлшектердің энергиясы, олардың электрон қауыздарының бір-бірін табу үшін (энергетикалық тосқауыл) басым болуы шарт.

Температураны көтергенде жалпы молекулалардың кинетикалық энергиясы өседі, оның ішінде активті молекулалардың да саны көбейеді, реакциялық соқтығысуы саны көбейіп, реакцияның жылдамдығы артады.

Ракцияласушы заттардың бір моліндегі молекулалардың барлығын активті молекулаға айналдыру үшін жұмсалатын энергияны активтендіру энергиясы деп атайды.

Кинетикалық теңдеулер:

υ= k*∆С (гомогендік процестер)

υ= k*F*∆С (гетерогендік процестер)

к,∆С және F- технологиялық процестердің жылдамдығына әсер ететін негізгі параметрлер. к­- технологиялық процестің дылдамдылық константасы, оны негізінде үш жолмен арттыруға болады:

1. Әрекетесуші жүйенің теспературасын көтеру;

2. Кинетикалық аймақта жүретін процестерге катализатор қолдану;

3. Фазалар аралығында диффузияны арттыру.

Температураның жоғарылауы жылдамдылық константасын тым көп мөлшерде көбейтсе, диффузия коэфицентін аз мөлшерде арттырады.

Кинетикалық аймақта жүретін көпшілік процестердің жылдамдылық константасының тесператураға тәуелділігі Аррениус теңдеуімен анықталады:

бұл теңдеуді логарифмдеп өңдегенде:

немесе

Іс жүзінде, екі түрлі тесператураға арнап өндегенде,

Мұнда к­­₁ және к₂ – тиісті абсолюттік теспературадағы реакция жылдамдығының константалары, 1 – натуралдық логорифм негізгі, Е – активтеу энергия шамасы. R- молярлық тұрақтысы, Дж/(моль*град). Аррениус тендеуін пайдаланып Е және к₁ белгілі болса, Т₂ тесператураға көтерілген сайын арта береді, бірақ іс жүзінде процесті қарқындату, себебі экзотермиялық қайтымды жоғарылата беруге болмайды, себебі экзотермиялық қайтымды процестерде теспература жоғарылаған сайын өнімнің тепе-теңдік шығымы төмендейді.

Осы сияқты тым жоғары температурада реагенттердің және аппарат құрылған материалдардың төзімділігі төмендейді. Осы жағдайды естен шығармай процеске лайықты оңтайлы ұтымды температура белгіленеді.

5.Оң әсерін тигізетін катализаторлар бір сатыда үлкен активтеу энергия қажет ететін реакция жылдамдығын көп сатылы аз мөлшерде активтеу энергия қажет ететін рекцияға ауыстыру арқылы реакция жылдамдығын өсіреді.

6.Араластыру – молекулалық диффузияны конвективті диффузияға ауыстыру нәтижесінде процестің жылдамдылық константтасын көбейтеді.

Гомогенді процестерде араластыру, реакция саласындағы консентрацияны теңестіреді, реакциялаушы молекулалардың соқтығысу саны артады.

Гетеренді жүйелерді араластыру, баяу молекулалар диффузиясын жылдам конвективтік диффузияға аударады.

Концентрацияның әсері. Химиялық реакцияны тездету үшін, реакциялаушы заттардың молекулалары жиі соқтығысуы қажет, түйісуді жиілендіру үшін, реакцияласушы молекулалардың концентрациясын өсіру керек.

Химиялық реакцияның жылдамдығы реакцияласушы заттар концентрацияларының көбейтіндісіне тура пропорционал – әрекеттесуші массалар заңы:

υ= k* [A]ⁿ[B]^m

К- жылдамдық константы (реакцияласушы заттардың концентрациясы бірге тең (1 моль/л)) болған жағдайдағы реакция жылдамдығы.

К- әрбір реакцияның өзіне лайықты тұрақты шама, ол тек қана реакцияласушы заттардың табиғатына табиғатына қарай және температураға байланысты өзгереді.