Өндіріс процесіндегі химиялық тепе-теңдік. Химия, 10 сынып, дидактикалық материал.

 Габер процесінің механизмі

 Габер процесі ауадан алынған азоттың және табиғи газдан алынған сутектің әрекеттесуі арқылы жүзеге асады. Реакция қайтамды және экзотермиялық болып табылады.

 N_2(г) + 3H_2(г) 2NH_3(г) + 92 кДж/моль

 Қажет ететін жағдайлар:

 Катализатор ретінде темір қолданылады. Бірақ оған калий гидроксидін промотор ретінде қосады. (Промотор – катализатордың тиімділігін арттыру үшін қолданылатын зат).

 Реакция 200 атмосфералық қысымда жүзеге асады.

 Қайта өңдеу

 Газдардың реактор арқылы өтуі кезінде азот пен сутектен тек 15%-ға жуық аммиак түзіледі. Реакцияға түспеген газдар тұрақты рециркуляция арқылы қайтадан аммиак синтезіне жіберіледі. Осылайша, жалпы түрлендіру 98%-ға жуық болады.

 Жағдайлардың түсіндірілуі

 Азот пен сутек қатынасы

 Азот пен сутек қоспасы реакторға 1 көлем азот пен 3 көлем сутек қатынасында түседі. Кей реакцияларда бір реагентті артық мөлшерде алуға болады. Бірақ ол көп қаражатты талап етеді. Егер бір реагент артық мөлшерде болса, ол реагент реакцияға түспейді, сәйкесінше қалдық болып қалады.

 Температура

 N_2(г) + 3H_2(г) 2NH_3(г) + 92 кДж/моль

 Тепе-теңдікті оң жаққа ығыстыру қажет. Тікелей реакция (аммиактың алынуы) экзотермиялық болып табылады. Ле-Шателье принципі бойынша тепе-теңдікті оңға ығыстыру үшін температураны төмендету қажет. Бірақ аммиак синтезі үшін 400-450°С температура қолданылады. Көріп тұрғаныңыздай бұл температура төмен емес. Температура төмендеген сайын реакцияның жылдамдығы азаяды. Егер өндіруші тепе-теңдікті өнім жаққа ығыстыратын температураны ғана қолданса, онда оған қажет аммиактың мөлшерін тек бірнеше жылда ғана алады. Ал өндірушіге аммииактың белгілі бір мөлшерін қысқа мерзімде алу қажет.

 Компромисс

 400-450°C – бұл компромисс температура, бұл температурада реакция жылдам жүреді (өнім шығымы 15% болса да).

 Қысым

 N_2(г) + 3H_2(г) 2NH_3(г) + 92 кДж/моль

 Реакцияның сол жағында 4 молекула, ал оң жағында тек екі молекула бар екендігіне назар аударыңыз. Ле-Шателье принципі бойынша қысымның жоғарылауы газдың аз молекулалары орналасқан жаққа ығысуына алып келеді. Аммиактың көп мөлшерін алу үшін 200 атмосфералық қысым жоғары қысым, бірақ өте жоғары емес. Қысымның жоғарылауы кеңістіктің азайып, бөлшектердің бір-біріне жақындауына алып келеді. Бұл өндірісте азот пен сутек газдарының әрекеттесу ықтималдығы жоғарылап, реакция өнімінің шығымы артады.

 Экономикалық көзқарас

 Өте жоғары қысым өте қымбат болып табылады. Мысалы, Сіз жоғары қысымды ұстап тұратын өте берік құбырлар және контейнерлер салуыңыз қажет. Бұл зауыттың салыну кезінде көп қаражатты талап етеді.

 Габер процесінің механизмі

 Габер процесі ауадан алынған азоттың және табиғи газдан алынған сутектің әрекеттесуі арқылы жүзеге асады. Реакция қайтамды және экзотермиялық болып табылады.

 N_2(г) + 3H_2(г) 2NH_3(г) + 92 кДж/моль

 Қажет ететін жағдайлар:

 Катализатор ретінде темір қолданылады. Бірақ оған калий гидроксидін промотор ретінде қосады. (Промотор – катализатордың тиімділігін арттыру үшін қолданылатын зат).

 Реакция 200 атмосфералық қысымда жүзеге асады.

 Қайта өңдеу

 Газдардың реактор арқылы өтуі кезінде азот пен сутектен тек 15%-ға жуық аммиак түзіледі. Реакцияға түспеген газдар тұрақты рециркуляция арқылы қайтадан аммиак синтезіне жіберіледі. Осылайша, жалпы түрлендіру 98%-ға жуық болады.

 Жағдайлардың түсіндірілуі

 Азот пен сутек қатынасы

 Азот пен сутек қоспасы реакторға 1 көлем азот пен 3 көлем сутек қатынасында түседі. Кей реакцияларда бір реагентті артық мөлшерде алуға болады. Бірақ ол көп қаражатты талап етеді. Егер бір реагент артық мөлшерде болса, ол реагент реакцияға түспейді, сәйкесінше қалдық болып қалады.

 Температура

 N_2(г) + 3H_2(г) 2NH_3(г) + 92 кДж/моль

 Тепе-теңдікті оң жаққа ығыстыру қажет. Тікелей реакция (аммиактың алынуы) экзотермиялық болып табылады. Ле-Шателье принципі бойынша тепе-теңдікті оңға ығыстыру үшін температураны төмендету қажет. Бірақ аммиак синтезі үшін 400-450°С температура қолданылады. Көріп тұрғаныңыздай бұл температура төмен емес. Температура төмендеген сайын реакцияның жылдамдығы азаяды. Егер өндіруші тепе-теңдікті өнім жаққа ығыстыратын температураны ғана қолданса, онда оған қажет аммиактың мөлшерін тек бірнеше жылда ғана алады. Ал өндірушіге аммииактың белгілі бір мөлшерін қысқа мерзімде алу қажет.

 Компромисс

 400-450°C – бұл компромисс температура, бұл температурада реакция жылдам жүреді (өнім шығымы 15% болса да).

 Қысым

 N_2(г) + 3H_2(г) 2NH_3(г) + 92 кДж/моль

 Реакцияның сол жағында 4 молекула, ал оң жағында тек екі молекула бар екендігіне назар аударыңыз. Ле-Шателье принципі бойынша қысымның жоғарылауы газдың аз молекулалары орналасқан жаққа ығысуына алып келеді. Аммиактың көп мөлшерін алу үшін 200 атмосфералық қысым жоғары қысым, бірақ өте жоғары емес. Қысымның жоғарылауы кеңістіктің азайып, бөлшектердің бір-біріне жақындауына алып келеді. Бұл өндірісте азот пен сутек газдарының әрекеттесу ықтималдығы жоғарылап, реакция өнімінің шығымы артады.

 Экономикалық көзқарас

 Өте жоғары қысым өте қымбат болып табылады. Мысалы, Сіз жоғары қысымды ұстап тұратын өте берік құбырлар және контейнерлер салуыңыз қажет. Бұл зауыттың салыну кезінде көп қаражатты талап етеді.

 Компромисс

 200 атмосфералық қысым – экономикалық тұрғыдан алғанда компромисс қысым болып табылады. Егер қысым өте жоғары болса, өндіріске көп қаражат кетеді, ал бұл қаражатқа аммиактың екі есе көп мөлшерін алуға болады.

 Катализатор

 Катализатор тепе-теңдіктің ығысуына әсер етпейді. Ол тек реакцияны жылдамдатады. Катализаторсыз реакция өте баяу жүреді, кез-келген уақыт аралығында реакция жүзеге аспайды. Катализатор тепе-теңдіктің динамикасын арттыруды қамтамасыз етеді.

 Габер процесінің соңғы бөлімі (аммиактың бөлінуі)

•  Газдар (аммиак, сутек, азот газдары) өте жоғары температурада және жоғары қысымда болады. Егер температураны төмендетсек, аммиак сұйықтыққа айналады, ал сутегі мен азоттың конденсациялану температурасы төмен болғандықтан, газ күйінде қайтадан синтез мұнарасына барады (рециркуляция).

 Хабе́ра (Габе́ра) процесі – атмосферадағы азот аммиактың синтезі үшін байланысатын өндірістік процесс (Фриц Хабер және Карл Бош ойлап тапқан).

 Габер процесінің негізгі қасиеті – оның қалдықсыз жұмыс істеуі. Сутек пен азоттан аммиактың түзілу реакциясы экзотермиялық және қайтымды, сондықтан (реакция жылдамдығын жоғарылату үшін) жоғары температурада тепе-теңдік азот пен сутек жаққа қарай ығысады, және бірінші өтілімнен соң өндірістік жағдайларда өнімнің шығымы 14-16%-дан аспайды. Сол себепті түзілген қоспаны аммиактың конденсациясына дейін салқындатады, сұйық аммиакты айырғышпен (сепаратор) бөледі, ал азот пен сутектің қоспасын қайтадан рециркуляцияға жіберіп, қыздырып, катализатор арқылы жібереді. Осылай Габер процесінде реакцияның теориялық шығымы 100 %-қа тең болады.

 Аммиактың синтезі экзотермиялық процесс болғанымен, Габер процесі өте энергия сыйымды болып келеді: 1 т аммиакты өндіру үшін орташа 3200 кВт•сағ электрлік энергия қажет. Энергия азот пен сутекті қысып, қыздыру үшін жұмсалады.

 Ал атмосферадағы азотты микроағзалар арқылы биофиксациялау үшін АТФ-тың 12-ден кем емес молекула қажет, бұл 1 т аммиак үшін 5000 кВт*сағ болып табылады.

 Компромисс

 200 атмосфералық қысым – экономикалық тұрғыдан алғанда компромисс қысым болып табылады. Егер қысым өте жоғары болса, өндіріске көп қаражат кетеді, ал бұл қаражатқа аммиактың екі есе көп мөлшерін алуға болады.

 Катализатор

 Катализатор тепе-теңдіктің ығысуына әсер етпейді. Ол тек реакцияны жылдамдатады. Катализаторсыз реакция өте баяу жүреді, кез-келген уақыт аралығында реакция жүзеге аспайды. Катализатор тепе-теңдіктің динамикасын арттыруды қамтамасыз етеді.

 Габер процесінің соңғы бөлімі (аммиактың бөлінуі)

•  Газдар (аммиак, сутек, азот газдары) өте жоғары температурада және жоғары қысымда болады. Егер температураны төмендетсек, аммиак сұйықтыққа айналады, ал сутегі мен азоттың конденсациялану температурасы төмен болғандықтан, газ күйінде қайтадан синтез мұнарасына барады (рециркуляция).

 Хабе́ра (Габе́ра) процесі – атмосферадағы азот аммиактың синтезі үшін байланысатын өндірістік процесс (Фриц Хабер және Карл Бош ойлап тапқан).

 Габер процесінің негізгі қасиеті – оның қалдықсыз жұмыс істеуі. Сутек пен азоттан аммиактың түзілу реакциясы экзотермиялық және қайтымды, сондықтан (реакция жылдамдығын жоғарылату үшін) жоғары температурада тепе-теңдік азот пен сутек жаққа қарай ығысады, және бірінші өтілімнен соң өндірістік жағдайларда өнімнің шығымы 14-16%-дан аспайды. Сол себепті түзілген қоспаны аммиактың конденсациясына дейін салқындатады, сұйық аммиакты айырғышпен (сепаратор) бөледі, ал азот пен сутектің қоспасын қайтадан рециркуляцияға жіберіп, қыздырып, катализатор арқылы жібереді. Осылай Габер процесінде реакцияның теориялық шығымы 100 %-қа тең болады.

 Аммиактың синтезі экзотермиялық процесс болғанымен, Габер процесі өте энергия сыйымды болып келеді: 1 т аммиакты өндіру үшін орташа 3200 кВт•сағ электрлік энергия қажет. Энергия азот пен сутекті қысып, қыздыру үшін жұмсалады.

 Ал атмосферадағы азотты микроағзалар арқылы биофиксациялау үшін АТФ-тың 12-ден кем емес молекула қажет, бұл 1 т аммиак үшін 5000 кВт*сағ болып табылады.