Nhãm 4 - K34B-SPHãa
Trêng §¹i häc s ph¹m Hµ Néi 2 Khoa: Hãa häc Bé m«n: Hãa lý1
Bµi tiÓu luËn:
§iÒu kiÖn c©n b»ng, ®iÒu kiÖn tù diÔn biÕn cña c¸c qu¸
tr×nh ho¸ häc theo quan ®iÓm cña nhiÖt ®éng häc. ¸p dông
cho qu¸ tr×nh tæng hîp NH3 trong c«ng nghiÖp
VÝ dô vÒ c¸c nhµ m¸y s¶n xuÊt NH3
Gi¶ng viªn bé m«n: TrÇn Quang ThiÖn
Ngêi thùc hiÖn:
1. NguyÔn V¨n Anh
2. §inh ThÞ Hång V©n
3. TrÇn Thu Trang
4. §oµn ThÞ Minh Trang
5. D¬ng ThÞ Hång V©n
6. §µo ThÞ Thanh TuyÒn
7. Hµ ThÞ TuyÕt
Xu©n Hoµ, ngµy 22 th¸ng 10 n¨m 2009
1
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
Giíi thiÖu
Nh chóng ta ®· biÕt, mét hÖ c« lËp kh«ng t¬ng t¸c víi bªn ngoµi, nÕu
cha ë vµo tr¹ng th¸i c©n b»ng th× theo thêi gian sím hay muén bao giê còng
tù ®i tíi tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®éng.
MÆt kh¸c trong nh÷ng nhiÖm vô c¬ b¶n cña nhiÖt ®éng lùc ho¸ häc lµ
gi¶i quyÕt c¸c c©u hái: Trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nµo, mét ph¶n øng ho¸ häc
nµo ®ã cã thÓ tù diÔn ra hay kh«ng? MÆt kh¸c, nÕu ph¶n øng diÔn ®îc, th×
nã diÔn ra cho tíi giíi h¹n nµo, khi nµo dõng l¹i, ®iÒu kiÖn c©n b»ng ra sao,
c¸c s¶n phÈm thu ®îc víi hiÖn suÊt bao nhiÒu.
ChÝnh v× vËy th«ng qua ®Ò tµi nµy chóng em muèn t×m hiÓu vÒ
®iÒu kiÖn c©n b»ng ®iÒu kiÖn tù diÔn biÕn cña mét qu¸ tr×nh ho¸ häc tõ ®ã
¸p dông cho c©n b»ng ho¸ häc ®Ó xÐt nh÷ng yÕu tè ¶nh hëng ®Õn c©n
b»ng cña mét ph¶n øng ho¸ häc.
§ång thêi ¸p dông c¸c yÕu tè võa xÐt vµo ph¶n øng tæng hîp NH3
+
N
3
H
2
NH
2
2
3
Mét trong nh÷ng chÊt ®îc s¶n xuÊt nhiÒu nhÊt trong c«ng nghiÖp ®Ó
sö dông trong s¶n xuÊt ph©n bãn vµ trong c¸c ngµnh c«ng nghiÖp ho¸ chÊt
kh¸c.
(cid:222)
2
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
I. Néi dung
I.1. §iÒu kiÖn c©n b»ng - ®iÒu kiÖn tù diÔn biÕn cña mét qu¸ tr×nh
. ho¸ häc
- Tr¹ng th¸i c©n b»ng: lµ tr¹ng th¸i mµ c¸c th«ng sè ®Æc trng cho hÖ
kh«ng biÕn ®æi theo thêi gian.
- Tr¹ng th¸i c©n b»ng bÒn: lµ tr¹ng th¸i cña hÖ khi muèn chuyÓn sang
tr¹ng th¸i Ýt bÒn kh¸c ph¶i tiªu tèn mét c«ng do hÖ sinh ra.
Cô thÓ: XÐt vÒ ®iÒu kiÖn c©n b»ng hÖ ë tr¹ng th¸i c©n b»ng lµ hÖ
trong nh÷ng ®iÒu kiÖn cho s½n kh«ng cã kh¶ n¨ng sinh c«ng h÷u Ých.
+ Tõ ®ã suy ra ®iÒu kiÖn cÇn cña qu¸ tr×nh c©n b»ng lµ: (víi hÖ kÝn)
dG = 0 nÕu T, P = const
dH= 0 nÕu S,P = const
dF= 0 nÕu T, V= const
dU= 0 nÕu S, Vconst
+ §iÒu kiÖn ®ñ :
d2 U > 0 nÕu S, V = const
d2 G > 0 nÕu P, T = const
d2 H > 0 nÕu S, P = const
d2 F > 0 nÕu V, T = const
+ §èi víi hÖ c« lËp:
dS = 0 hay S = Smax
d2 S < 0
- Qu¸ tr×nh tù diÔn biÕn lµ qu¸ tr×nh mµ nã cã thÓ tiÕn hµnh mµ
kh«ng cÇn cung cÊp c«ng tõ bªn ngoµi.
Tøc lµ: dG < 0 nÕu P, T = const dH < 0 nÕu S, P = const
dF < 0 nÕu V, T = const dU < 0 nÕu S, V = const
+ §èi víi hÖ c« lËp theo nguyªn lý II kh¼ng ®Þnh, c¸c qu¸ tr×nh sÏ tù
diÔn biÕn theo chiÒu t¨ng entropi
(cid:219) > dS 0
3
- Trong nhiÖt ®éng lùc häc ngêi ta thêng x¸c ®Þnh chiÒu cña qu¸ tr×nh
dùa vµo tiªu chuÈn vÒ tÝnh kh«ng thuËn nghÞch (tÝnh mét chiÒu) vµ x¸c
®Þnh ®iÒu kiÖn c©n b»ng dùa vµo tiªu chuÈn vÒ tÝnh thuËn nghÞch cña
qu¸ tr×nh.
I.1.1. Tiªu chuÈn dùa vµo entr«pi.
Theo nguyªn lý II: trong hÖ c« lËp ( hÖ c« lËp lµ hÖ cã néi n¨ng U
kh«ng ®æi, ngoµi ra thÓ tÝch V cña nã còng kh«ng ®æi ) th×. dS‡
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
Nh vËy trong hÖ c« lËp qu¸ tr×nh chØ cã thÓ tù diÔn ra tù nhiªn theo
0
)
u v ,
chiÒu øng víi ®iÒu kiÖn ( dõng l¹i, entropi ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i (cid:222)
HÖ ë tr¹ng th¸i c©n b»ng.
0 dS > . Khi qu¸ tr×nh kh«ng thuËn nghÞch ®ã
(
) dS =
u v ,
§ã lµ ®iÒu kiÖn c©n b»ng trong hÖ c« lËp.
0
I .1.2. Tiªu chuÈn thÕ nhiÖt ®éng
Tõ biÓu thøc nguyªn lÝ I vµ nguyªn lý II ta cã:
d d £ - - - A '
+ + (cid:219) £ - = dU TdS A TdS PdV ) ( = d U PV dH TdS VdP Ad '
- £ - - -
) =
( d U TS dF
SdT PdV Ad '
+ - £ - -
) =
( d U TS PV
lµ c«ng mµ hÖ thùc hiÖn ngoµi c«ng gi·n në thÓ tÝch
xÐt khi
Trong ®ã ' 0Ad
,Ad = ta cã dÊu "
"< sÏ øng víi qu¸ tr×nh kh«ng thuËn nghÞch (cid:222)
qu¸ tr×nh tù diÔn biÕn.
DÊu “=” sÏ øng víi qu¸ tr×nh thuËn nghÞch fi
®iÒu kiÖn c©n b»ng xÐt
tõng trêng hîp cô thÓ:
+ dG SdT VdP Ad '
£ - + dG SdT VdP
Khi T, P = const
Nh vËy ®iÒu kiÖn tù diÔn biÕn
fi £ dG 0
§iÒu kiÖn c©n b»ng
dG < 0
dG = khi ®ã hµm G ph¶i ®¹t gi¸ trÞ cùc tiÓu 0
£ - - dF SdT PdV
4
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
Khi T, V = const
§iÒu kiÖn tù diÔn biÕn
fi £ dF
§iÒu kiÖn c©n b»ng
0 dF < 0
dF = khi ®ã 0
,T VF ®¹t ®îc gi¸ trÞ cùc tiÓu + dH TdS VdP
£
Khi
§iÒu kiÖn tù diÔn biÕn:
fi £ = S P const , dH
§iÒu kiÖn c©n b»ng:
0 dH < 0
,S PH ®¹t ®îc gi¸ trÞ cùc tiÓu
dH = khi ®ã 0
£ - dU TdS PdV
Khi
§iÒu kiÖn tù diÔn biÕn
fi £ = S V const , dU
§iÒu kiÖn c©n b»ng:
0 dU <
,S V
* Víi nh÷ng trêng hîp hÖ thùc hiÖn c«ng kh¸c ngoµi c«ng gi·n në thÓ
tÝch ta vÉn cã thÓ t×m ra ®îc ®iÒu kiÖn tù diÔn biÕn vµ kh«ng tù diÔn biÕn
dùa vµo nh÷ng tiªu chuÈn trªn b»ng c¸ch.
dH ®¹t ®îc gi¸ trÞ cùc tiÓu . 0 dU = khi ®ã 0
BiÓu diÔn:
1
1
2
§Ó x¸c ®Þnh chiÒu cña qu¸ tr×nh vµ ®iÒu kiÖn c©n b»ng, ta ph¶i gi÷
= + ' + + (cid:229) ... SA YdX Y dX 2 YdX i i
cè ®Þnh nh÷ng cÆp tham sè a, b t¬ng øng víi thÓ nhiÖt ®éng kh¶o s¸t mµ ) 0...
c¶ nh÷ng ®¹i lîng
lµm cho
= = 0, = ' 0Ad
( X dX i
i
dX 2
®iÒu kiÖn c©n b»ng tæng qu¸t
(cid:222)
f
(
)
víi f lµ U, F, G, H
a b X i
a b X , , i
<
df
0
df
ab X , i
= , , min ) = vµ 0 §iÒu kiÖn tù diÔn biÕn: (
¬ng vÒ c¸c tiªu chuÈn vÒ ®iÒu kiÖn c©n b»ng vµ tù ¬ng ® I .1.3. Sù t
. diÔn biÕn
- Nh÷ng tiªu chuÈn kh¸c nhau t×m thÊy ë trªn lµ t¬ng ®¬ng nhau, ta cã
thÓ chøng minh mét vµi trêng hîp:
VÝ dô 1: XÐt ®iÒu kiÖn
nghÜa lµ qu¸ tr×nh chØ cã thÓ diÔn
ra theo chiÒu gi¶m U vµ khi cã c©n b»ng th× U ®¹t cùc tiÓu nhng ta còng cã:
dU £ 0
£ - dU TdS PdV
5
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
+ (cid:219) ‡ (cid:219) ‡ TdS dU PdV dS + dU PdV T
Víi hÖ c« lËp
nghÜa lµ qu¸ tr×nh chØ cã thÓ
diÔn ra theo chiÒu t¨ng S vµ khi cã c©n b»ng th× S lµ cùc ®¹i.
VÝ dô 2: XÐt
tøc lµ qu¸ tr×nh tù diÔn biÕn theo chiÒu gi¶m
fi ‡ = U V const , dS 0
entropi H vµ khi cã c©n b»ng th× H lµ cùc tiÓu.
dH £ 0
Do
- £ (cid:222) ‡ + dH TdS VdP dS dH VdP T
HÖ c« lËp
trïng víi ®iÒu kiÖn trong hÖ c« lËp
Víi c¸c trêng hîp kh¸c chóng ta hoµn toµn cã thÓ chøng minh t¬ng tù
*Nh÷ng hÖ thøc ®· thiÕt lËp ë trªn chØ ¸p dông cho nh÷ng hÖ cã
thµnh phÇn kh«ng ®æi.
B©y giê ta xÐt nh÷ng hÖ cã sè mol thay ®æi trong mét qu¸ tr×nh ho¸
häc. Trong trêng hîp nµy thµnh phÇn cña hÖ trë thµnh nh÷ng biÕn sè míi vµ
bÊt luËn thuéc tÝnh nhiÖt ®éng nµo cña hÖ còng ph¶i biÓu thÞ th«ng qua sè
(cid:222) ‡ = H P const , dS 0
mol 1
thøc nhiÖt ®éng.
n cña tÊt c¶ c¸c cÊu tö cã trong hÖ vµ khi ®ã ta cã c¸c biÓu n n 2, ,..., i
S V n , , j
(cid:230) (cid:246) ¶ = - + dU TdS PdV (cid:231) ‚ (cid:229) dn i ¶ Ł ł U n i
S P n , , j
(cid:230) (cid:246) ¶ = - + dH TdS VdP (cid:231) ‚ (cid:229) dn i ¶ Ł ł H n i
,
T P n , j
(cid:230) (cid:246) ¶ = - - + dG SdT VdP (cid:231) ‚ (cid:229) dn i ¶ Ł ł G n i
T P n ,
,
j
(cid:230) (cid:246) ¶ = - + dU SdT PdV (cid:231) ‚ (cid:229) dn i ¶ Ł ł G n i
i
§Æt
S V n , ,
S P n , ,
T V n ,
,
T P n ,
,
j
j
j
j
(cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) ¶ ¶ ¶ ¶ = m = = = (cid:231) ‚ (cid:231) ‚ (cid:231) ‚ (cid:231) ‚ ¶ ¶ ¶ ¶ Ł ł Ł ł Ł ł Ł ł U n i H n i F n i G n i
gäi lµ ho¸ thÕ cña cÊu tö i trong hÖ.
i
m
6
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
ý nghÜa ho¸ thÕ:
Bëi v× nh÷ng qu¸ tr×nh ho¸ häc liªn quan ®Õn sù thay ®æi thµnh phÇn
fi
cña hÖ (c¸c ph¶n øng ho¸ häc) ®Òu ®îc nghiªn cøu ë
nªn
th-
i
m = ,P T const
i
êng ®îc dïng biÓu thøc:
T P n ,
,
j
(cid:230) (cid:246) ¶ m = (cid:231) ‚ ¶ Ł ł G n i
ý nghÜa: ho¸ thÕ cña chÊt i b»ng ®é t¨ng thÕ ®¾ng ¸p G cña hÖ
quy vÒ mét mol cÊu tö i khi thªm mét lîng v« cïng nhá
idn mol cña chÊt i vµo
mét lîng h÷u h¹n cña hÖ trong ®iÒu kiÖn T, P vµ sè mol c¸c cÊu tö kh¸c trong
hÖ kh«ng ®æi.
Nh vËy: ®iÒu kiÖn c©n b»ng, ®iÒu kiÖn diÔn biÕn trong hÖ cã thµnh
fi
phÇn thay ®æi:
i
i
+ = dG SdT VdP dnm + (cid:229)
Khi
i
i
fi = T P const , = dG dnm (cid:229)
V× qu¸ tr×nh chØ cã thÓ tù diÔn biÕn theo chiÒu
i
i
khi qu¸ tr×nh dõng l¹i, G ®¹t ®îc cùc tiÓu vµ ®iÒu kiÖn c©n b»ng lµ:
dG < (cid:219) 0 < dnm 0
idnm
i
Nh÷ng hÖ thøc ®· thiÕt lËp ë trªn chØ ¸p dông cho nh÷ng hÖ c¬ thµnh
phÇn kh«ng ®æi.
B©y giê ta xÐt nh÷ng hÖ cã sè mol thay ®æi trong mét qu¸ tr×nh ho¸
häc trong trêng hîp nµy thµnh phÇn cña hÖ trë thµnh nh÷ng biÕn sè míi vµ
bÊt luËn thuéc tÝnh nhiÖt ®éng nµo cña hÖ còng ph¶i biÓu thÞ th«ng qua sè
= 0 (cid:229)
mol 1
thøc nhiÖt ®éng.
n cña tÊt c¶ c¸c cÊu tö cã trong hÖ vµ khi ®ã ta cã c¸c biÓu n n 2, ,..., i
S V n , , j
(cid:230) (cid:246) ¶ = - + dU TdS PdV (cid:231) ‚ (cid:229) dn i ¶ Ł ł U n i
S P n , , j
(cid:230) (cid:246) ¶ = - + dH TdS VdP (cid:231) ‚ (cid:229) dn i ¶ Ł ł H n i
7
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
,
T P n , j
(cid:230) (cid:246) ¶ = - - + dG SdT VdP (cid:231) ‚ (cid:229) dn i ¶ Ł ł G n i
T P n ,
,
j
(cid:230) (cid:246) ¶ = - + dU SdT PdV (cid:231) ‚ (cid:229) dn i ¶ Ł ł G n i
i
§Æt
S V n , ,
S P n , ,
T V n ,
,
T P n ,
,
j
j
j
j
(cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) ¶ ¶ ¶ ¶ = m = = = (cid:231) ‚ (cid:231) ‚ (cid:231) ‚ (cid:231) ‚ ¶ ¶ ¶ ¶ Ł ł Ł ł Ł ł Ł ł U n i H n i F n i G n i
gäi lµ ho¸ thÕ cña cÊu tö i trong hÖ.
i
m
fi
ý nghÜa ho¸ thÕ:
Bëi v× nh÷ng qu¸ tr×nh ho¸ häc liªn quan ®Õn sù thay ®æi thµnh phÇn
cña hÖ (c¸c ph¶n øng ho¸ häc) ®Òu ®îc nghiªn cøu ë
nªn
th-
i
m = ,P T const
i
êng ®îc dïng biÓu thøc:
T P n ,
,
j
(cid:230) (cid:246) ¶ m = (cid:231) ‚ ¶ Ł ł G n i
ý nghÜa: ho¸ thÕ cña chÊt i b»ng ®é t¨ng thÕ ®¾ng ¸p G cña hÖ
quy vÒ mét mol cÊu tö i khi thªm mét lîng v« cïng nhá
idn mol cña chÊt i vµo
mét lîng h÷u h¹n cña hÖ trong ®iÒu kiÖn T, P vµ sè mol c¸c cÊu tö kh¸c trong
hÖ kh«ng ®æi.
Nh vËy: ®iÒu kiÖn c©n b»ng, ®iÒu kiÖn diÔn biÕn trong hÖ cã thµnh
fi
phÇn thay ®æi:
i
i
= + dG SdT VdP dnm + (cid:229)
Khi
i
i
fi = T P const , = dG dnm (cid:229)
V× qu¸ tr×nh chØ cã thÓ tù diÔn biÕn theo chiÒu
i
i
khi qu¸ tr×nh dõng l¹i, G ®¹t ®îc cùc tiÓu vµ ®iÒu kiÖn c©n b»ng lµ:
dG < (cid:219) 0 < dnm 0
idnm
i
* Trªn ®©y lµ nh÷ng ®iÒu kiÖn diÔn biÕn vµ tù diÔn biÕn cña qu¸ tr×nh
ho¸ häc, ta ¸p dông c¸c ®iÒu kiÖn nµy vµo nh÷ng ph¶n øng ho¸ häc cô thÓ
®Ó xÐt ®iÒu kiÖn c©n b»ng, ®iÒu kiÖn tù diÔn biÕn cña mét ph¶n øng ho¸
= 0 (cid:229)
8
häc vµ c¸c yÕu tè ¶nh hëng ®Õn c©n b»ng cña mét ph¶n øng ho¸ häc theo
quan ®iÓm cña nhiÖt ®éng lùc häc.
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
I .2. C©n b»ng ho¸ häc
I .2.1. §iÒu kiÖn c©n b»ng cña mét ph¶n øng ho¸ häc
Do c¸c ph¶n øng ho¸ häc th«ng thêng ®îc thùc hiÖn ë nhiÖt ®é vµ ¸p
suÊt kh«ng ®æi (cid:222)
®iÒu kiÖn c©n b»ng:
dG = 0
cµng ©m th× ph¶n øng cã kh¶ n¨ng tù diÔn biÕn vÒ mÆt
§iÒu kiÖn tù diÔn biÕn: NÕu GD
nhiÖt ®éng häc ngµy cµng cao.
dG < 0
XÐt ph¶n øng: aA bB
+ + cC dD
i
i
= - + dG SdT VdP dnm + (cid:229)
Khi ph¶n øng ®¹t c©n b»ng
(1)
i
dG = fi 0 0 (cid:229) = dnm i
Do
= = = = dn - - dn A a dn C c dn D d
(1)
i
0
(cid:222) 0 (cid:229) dn B b = iVm
Gi¶ thiÕt khi tham gia lµ lÝ tëng:
i
(
ip : ¸p suÊt riªng phÇn cña i)
m= m + RT P ln i
0 i
D (cid:229) m + 0 fi
(
0 (cid:229) V i
) = (cid:219) RT P ln 1
0 G RT
V 1
m V = - i RT
p
c d . P P C D a b P P . A B
= = (cid:222) ln K ln (cid:229) (cid:229) V P ln i i P i = K p
+ c d
fi D = - 0 G RT K ln p
n
p
+ a b
d X X P D b X X P B
c C a A
Trong ®ã xi lµ phÇn mol cña cÊu tö i.
d
D = = K . K P . x . .
Ph¶n øng x¶y ra trong dung dÞch th×
C
b
= K
[ [
[ ] c C D . ] [ a A .
] ] B
9
Trong ®ã hµng sè c©n b»ng Kp chØ phô thuéc vµo b¶n chÊt cña ph¶n
øng vµ nhiÖt ®é vµ h»ng sè c©n b»ng ®Æc trng cho møc ®é tiÕn triÓn cña
ph¶n øng tõ tr¸i sang ph¶i.
H»ng sè c©n b»ng cã gi¸ trÞ cµng lín th× ®é chuyÓn ho¸ cña ph¶n øng
cµng cao.
ëng ®Õn c©n b»ng cña ph¶n øng ho¸ häc I .2.2. C¸c yÕu tè ¶nh h
+ C©n b»ng ho¸ häc lµ mét c©n b»ng ®éng nghÜa lµ nã cã thÓ
chuyÓn dÞch vÒ phÝa nµy hoÆc phÝa kh¸c khi thay ®æi c¸c ®iÒu kiÖn bªn
ngoµi.
+ Nguyªn lý L¬ Sat¬lie: “Mäi sù thay ®æi c¸c yÕu tè x¸c ®Þnh tr¹ng th¸i
cña mét hÖ c©n b»ng sÏ lµm cho c©n b»ng chuyÓn dÞch vÒ phÝa chèng l¹i
nh÷ng thay ®æi ®ã“
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
é :
a. YÕu tè nhiÖt ®
D - D = D G 1
Cã
D D D (cid:222) - S R H T S 1 H RT 1 G = 1 RT 1
D - D = D G 2 H T S 2
2
D D D G = (cid:222) - S R H RT RT 2
2
P 2
P 1
P 1
(cid:230) (cid:246) D D D (cid:222) - - - ln K = ln K (cid:231) ‚ K ln P K Ł ł G 1 RT 1 G = 2 RT 2 1 H R T 1 1 = T 2
+ NÕu
D D = - K VËy ln p H + RT S R
th× Kp tØ lÖ thuËn víi T.
+ NÕu T t¨ng th× Kp t¨ng c©n b»ng dÞch chuyÓn sang chiÒu thuËn vµ
ngîc l¹i.
+ NÕu
0HD >
th× Kp tØ lÖ nghÞch víi T khi T t¨ng th× Kp gi¶m ph¶n
øng chuyÓn dÞch theo chiÒu nghÞch vµ ngîc l¹i.
VÝ dô: Ta xÐt ph¶n øng :
0HD <
2
2
+ D N 3 H 2 46,2 KJ NH H 3 = - 0 pu
10
Do
khi ta t¨ng nhiÖt ®é c©n b»ng chuyÓn dÞch theo chiÒu
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
nghÞch lµm gi¶m hiÖu suÊt tæng hîp NH3.
NÕu ta gi¶m nhiªt ®é c©n b»ng chuyÓn dÞch theo chiÒu thuËn lµm
t¨ng hiÖn suÊt tæng hîp NH3.
0HD <
n
D =
b. Sù phô thuéc vµo ¸p suÊt K P- .
Ta cã:
x
p
K
(Do
khi P thay ®æi)
p
pK
= fi - D ln ln K n P ln const = K x
T
+ VËy
sù thay ®æi ¸p suÊt kh«ng lµm dÞch chuyÓn c©n
¶ - D (cid:230) (cid:246) n = fi (cid:231) ‚ ¶ Ł ł ln x K P P
b»ng.
x
0nD = (cid:222)
+ Khi
`
Khi t¨ng ¸p suÊt c©n b»ng chuyÓn dÞch theo chiÒu thuËn.
Khi gi¶m ¸p suÊt c©n b»ng chuyÓn dÞch theo chiÒu nghÞch.
x
D < (cid:222) 0 n 0 ln d K > dP
+ NÕu
Khi t¨ng ¸p suÊt c©n b»ng chuyÓn dÞch theo chiÒu nghÞch.
Khi gi¶m ¸o suÊt c©n b»ng chuyÓn dÞch theo chiÒu thuËn.
D > (cid:222) 0 n 0 d K ln < dP
VÝ dô: Ph¶n øng
biÕn thiªn sè mol khÝ
2
2
+ N 3 H 2 NH 3
nD = - - = - < 2 1 3 2 0
Khi t¨ng ¸p suÊt c©n b»ng chuyÓn dÞch theo chiÒu thuËn t¨ng
hiÖu suÊt t¹o ra NH3.
Khi gi¶m ¸p suÊt c©n b»ng chuyÓn dÞch theo chiÒu nghÞch gi¶m
hiÖu suÊt t¹o ra NH3.
(cid:222)
c. Sù phô thuéc vµo nång ®é
Víi nh÷ng ph¶n øng s¶y ra trong dung dÞch: aA bB
0
+ + cC dD
p
p
D = D + = - G G RT Q RT K ln + ln RT Q RT = ln ln Q K
11
d
c
d
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
Víi
p
b
a
b
D = = Q . K
[ [
[ [
] ]
] ]
[ ] c C D . ] [ a A .
] ] B
[ . [ .
cb B cb
C cb A cb
Khi c©n b»ng th×
vµ
p
+ NÕu t¨ng nång ®é cña C hoÆc D (hoÆc c¶ 2) vµ gi¶m nång ®é cña
Q K= 0GD =
A, B th×
ph¶n øng diÔn ra theo chiÒu nghÞch.
p
+ NÕu gi¶m nång ®é cña C vµ D t¨ng nång ®é cña A, B th×
> fi 1 D > fi G 0 Q K
ph¶n øng diÔn ra theo chiÒu thuËn.
p
< fi 1 D < fi G 0 Q K
II.
ëng chuyÓn dÞch c©n b»ng ho¸ häc ¸p dông ø ng dông cña hiÖn t
cho qu¸ tr×nh tæng hîp NH3 trong c«ng nghiÖp.
+ Amoniac lµ mét trong nh÷ng s¶n phÈm quan träng nhÊt cña ngµnh
c«ng nghiÖp ho¸ häc v× vËy nã ®îc s¶n suÊt nhiÒu vµ ë quy m« rÊt lín.
Ph¬ng ph¸p chñ yÕu ®Ó s¶n xuÊt am«niac lµ tæng hîp trùc tiÕp tõ N2
vµ H2 theo ph¶n øng:
2
2
+ = - 0 D N 3 H 46,2 KJ mol / 2
Ph¬ng ph¸p tæng hîp NH3 tõ Nit¬ vµ Hi®ro vµ Fe lµm xóc t¸c do Habe
®Ò ra n¨m 1904 ®îc tÆng gi¶i thëng N«ben n¨m 1913 c«ng nghÖ s¶n xuÊt
NH3 ®îc Baz¬ ph¸t triÓn vµ còng ®îc tÆng gi¶i thëng n«ben n¨m 1931.
Trong ®ã :
¸p dông quy t¾c pha Gipp: 2n = ; sè pha
96,3 / J mol NH H 3 D = - S
VËy cã thÓ chän 3 yÕu tè t¸c dông nªn c©n b»ng ®Ó lµm cho nã
chuyÓn dÞch vÒ phÝa t¹o nªn NH3 víi hiÖu suÊt cùc ®¹i. Ba yÕu tè ®ã lµ :
nhiÖt ®é, ¸p suÊt chung, tØ lÖ c¸c chÊt ph¶n øng.
- VÒ yÕu tè nhiÖt ®é :
ë ¸p suÊt 1 atm, khi hÖ ®¹t ®Õn c©n b»ng th×
k = - + F n k = fi 1 2 = - + = F 2 1 2 3
D = D D = - G H T S 0
12
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
+ (cid:219) - = 46200 96,3 T 0
0 200
» (cid:219) = T 479 K C
Khi
c©n b»ng chuyÓn dÞch sang bªn tr¸i.
0200 ;
NhiÖt ®é
0200 C gäi lµ nhiÖt ®é nghÞch chuyÓn tøc lµ nhiÖt ®é cùc
®¹i cã thÓ dïng ®îc ë ¸p suÊt 1atm.
Nh vËy theo quan ®iÓm nhiÖt ®éng lùc häc th× qu¸ tr×nh tæng hîp
NH3 ®îc thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cµng nhá cµng tèt.
Tuy nhiªn nhiÖt ®é võa lµm chuyÓn dÞch c©n b»ng, mÆt kh¸c lµm
biÕn ®æi tèc ®é cña ph¶n øng, tøc lµ tèc ®é ®¹t ®Õn c©n b»ng ®Ó vît qua
khã kh¨n nµy ngêi ta ph¶i dïng chÊt xóc t¸c ë ®©y lµ Fe vµ Al2O3
- VÒ yÕu tè ¸p suÊt : Do :
¸p suÊt cïng t¨ng th× c©n
> T D > C G 0
b»ng cµng chuyÓn dÞch sang ph¶i m¹nh.
Ngêi ta ®· tÝnh ®îc r»ng ë ¸p suÊt 300atm, qu¸ tr×nh tæng hîp ®îc tiÕn
hµnh ë
0450 C .
Trong thùc tÕ qu¸ tr×nh tæng hîp ®îc thùc hiÖn ë nhiÖt ®é
0
nD = - < fi 2 0
. Nhµ m¸y ph©n ®¹m hµ B¾c
vµ ®îc ¸p suÊt 200 1000atm
tæng hîp NH3 ë ¸p suÊt 320atm vµ nhiÖt ®é
0500 C .
Trong tæ hîp khÝ - ®iÖn - ®¹m phó Mü (Bµ Rya – Vòng Tµu) cã nhµ
m¸y ph©n ®¹m phó Mü ®· x©y dùng xong.
- VÒ yÕu tè tØ lÖ cña chÊt ph¶n øng.
Ngêi ta ®· tÝnh ®îc r»ng lîng NH3 ®îc t¹o thµnh sÏ cùc ®¹i khi tØ lÖ cña
N2 vµ H2 ®îc lÊy dïng b»ng tØ lÖ c¸c hÖ sè cña chóng ë trong ph¬ng tr×nh
. Sau khi ho¸ láng NH3 ta l¹i ®a hçn
ph¶n øng nghÜa lµ b»ng 1: 3. Trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nh trªn, hiÖu suÊt chuyÓn ho¸ NH3 còng chØ ®¹t 20 30%-
hîp khi N2 vµ H2 trë l¹i chu tr×nh s¶n xuÊt.
Ngµy nµy do kÜ thuËt ¸p suÊt cao ®îc ph¸t triÓn ngêi ta cã thÓ tæng
hîp NH3 tõ c¸c nguyªn tè ë nhiÖt ®é
0850 C vµ ®îc ¸p suÊt 4500atm. Víi hiÖu
suÊt cña ph¶n øng lµ 97% mµ kh«ng cÇn xóc t¸c.
VÝ dô : S¬ ®å thiÕt bÞ tæng hîp NH3 ë nhµ m¸y ph©n ®¹m Hµ B¾c.
- - 400 600 C
13
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
3 III. C¸c nhµ s¶n xuÊt NH
- Nhµ m¸y ®¹m Phó Mü : s¶n xuÊt ph©n ®¹m, phèt ph¸t... phôc vô cho
ngµnh s¶n xuÊt n«ng nghiÖp.
- Nhµ m¸y ®¹m Hµ B¾c : s¶n xuÊt c¸c lo¹i ph©n bãn víi hµm lîng NH3
lªn tíi 9,99%.
- Nhµ m¸y s¶n xuÊt ®¹m urª, NH3 tõ viÖc sö dông khÝ dÇu má ë thªm
lùc ®i¹.
Tµi liÖu tham kh¶o
1. Ho¸ häc c¸c nguyªn tè – Hoµng Nh©m TËp 1.
14
Nhãm 4 - K34B-SPHãa
2. Ho¸ lý – NguyÔn §×nh HuÒ
3. C¬ së lý thuyÕt c¸c qu¸ tr×nh hãa häc – Vò §¨ng
§é
4. Ho¸ lý TËp 1 -TrÇn V¨n Nh©n
5. Ho¸ lý TËp 2 -TrÇn V¨n Nh©n
15
