از مسیر واکنش تا تعادل صنعتی
پایهٔ ۱۲ · فصل ۴سرعت، تعادل و بازده را یکی نگیر.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
برهمکنش ماده با تابش میتواند سرنخی از ساختار آن بدهد. در طیف فروسرخ، جذبها با حرکتهای ارتعاشی مناسب مولکول ارتباط دارند. نمودار را باید با محور و راهنمای آن خواند؛ قله جذب در نمایش جذب با فرورفتگی در نمایش عبور فرق دارد. یک علامت منفرد همیشه برای شناسایی قطعی همه اجزای یک مخلوط کافی نیست.
در نمودار جذب، جذب بیشتر رو به بالا و در نمودار درصد عبور، جذب بیشتر با عبور کمتر و فرورفتگی همراه است.
واکنش برای طی کردن مسیر خود به عبور از مانع انرژی نیاز دارد. انرژی فعالسازی رفت اختلاف انرژی حالت گذار با واکنشدهندههاست. ΔH واکنش برابر آنتالپی فراوردهها منهای آنتالپی واکنشدهندههاست و با ارتفاع قله یکی نیست. یک واکنش گرمازا میتواند مانع بلندی داشته باشد و در دمای اتاق کند باشد؛ آزاد کردن انرژی نهایی تضمین سرعت زیاد نیست.
گرمازا بودن فقط اختلاف انرژی ابتدا و انتها را مشخص میکند؛ قله مسیر میتواند بالاتر از واکنشدهندهها و مانع غیرصفر باشد.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
کاتالیزگر مسیر واکنش با مانع مناسبتر فراهم میکند و سرعت رسیدن به تعادل را افزایش میدهد. در واکنش کلی مصرف خالص نمیشود، اما میتواند در گامهای سازوکار شرکت کند. کاتالیزگر انرژی ابتدا و انتهای واکنش، ΔH و ثابت تعادل را در دمای ثابت عوض نمیکند. از این رو سرعت بیشتر را با محصول تعادلی بیشتر یکسان نمیگیریم.
کاتالیزگر در دمای ثابت K را عوض نمیکند؛ رسیدن به همان تعادل را سریعتر میکند.
مبدل کاتالیستی در شرایط مناسب تبدیل برخی آلایندههای خروجی موتور را تسهیل میکند. برای نمونه CO میتواند به CO₂ اکسید شود و اکسیدهای نیتروژن در مسیر مناسب به N₂ تبدیل شوند. این به معنی حذف همه گازهای خروجی یا بیاثر بودن خودرو بر اقلیم نیست. دمای کار و ترکیب مخلوط بر عملکرد مبدل اثر دارند.
مبدل میتواند CO را به CO₂ و برخی اکسیدهای نیتروژن را به N₂ تبدیل کند؛ همه گازها حذف یا به اکسیژن تبدیل نمیشوند.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
در سامانه بسته و شرایط ثابت، تعادل وقتی برقرار است که سرعت واکنش رفت و برگشت برابر شود. مقدار مواد در مقیاس قابل اندازهگیری ثابت میماند، ولی تبدیل ذرهها ادامه دارد. برابری سرعتها به معنی برابری غلظت واکنشدهنده و فراورده نیست. رسیدن منحنیها به مقادیر ثابت مهم است، نه اینکه الزاماً در یک نقطه یکدیگر را قطع کنند.
تعادل با برابری سرعتهای رفت و برگشت تعریف میشود؛ غلظتهای تعادلی میتوانند متفاوت باشند.
برای aA+bB⇌cC+dD در مدل غلظتی، Kc حاصلضرب غلظت فراوردهها به توان ضرایب تقسیم بر مشابه واکنشدهندههاست. مواد جامد خالص و مایع خالص در عبارت معمول وارد نمیشوند. ضرایب معادله اهمیت دارند؛ وارونه کردن معادله K را معکوس و ضرب همه ضرایب در دو K را مربع میکند. مقدار بزرگ K نشاندهنده ترجیح تعادلی فراوردهها در چارچوب همان معادله است.
با دو برابر کردن همه ضرایب، توانهای عبارت تعادل دو برابر و ثابت جدید K² میشود.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
در دمای ثابت، افزایش غلظت یک واکنشدهندهٔ گازی یا محلول که در تعادل شرکت دارد، معمولاً سامانه را به سوی مصرف بخشی از آن میراند؛ اما همه مقدار افزودهشده الزاماً مصرف نمیشود. حذف فراورده نیز میتواند تولید بیشتر آن را تقویت کند. خود K در دمای ثابت تغییر نمیکند. تغییر لحظهای غلظت بر اثر افزودن را از تغییر تدریجی پس از واکنش جدا میخوانیم.
در دمای ثابت، K تغییر نمیکند. اگر افزودن ماده غلظت یا فشار جزئی یک گونهٔ شرکتکننده را تغییر دهد، ترکیب سامانه تا رسیدن به تعادل تازه تغییر میکند؛ افزودن جامد خالصی که در عبارت تعادل وارد نمیشود الزاماً چنین اثری ندارد.
کاهش حجم در دمای ثابت، فشار گازها را افزایش میدهد و در تعادل مناسب، سمت دارای مول گاز کمتر را تقویت میکند. برای N₂+۳H₂⇌۲NH₃ سمت راست دو مول گاز و چپ چهار مول دارد. اگر شمار مول گازی دو طرف برابر باشد، این معیار جابهجایی ناشی از تغییر حجم را پیشبینی نمیکند. جامدها را در شمار مول گاز وارد نمیکنیم.
فشردهسازی در دمای ثابت سمت دارای مول گاز کمتر را تقویت میکند؛ افزودن گاز بیاثرِ بیواکنش در حجم و دمای ثابت، با فرض رفتار ایدهآل، فشار جزئی مواد واکنش را عوض نمیکند.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
واکنش تشکیل آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن گرمازاست. افزایش دما سرعتها را بیشتر میکند، اما تعادل این واکنش را به سمت واکنشدهندهها میبرد و K را کاهش میدهد. صنعت میان سرعت مناسب، مقدار تعادلی، هزینه فشار و کارایی کاتالیزگر مصالحه میکند. دمای پایینتر از نظر تعادلی مطلوبتر است ولی ممکن است واکنش بیش از حد کند شود.
برای هابر گرمازا، افزایش دما معمولاً سرعت را بیشتر اما K و مقدار تعادلی آمونیاک را در شرایط مقایسه کاهش میدهد.
تبدیل ماده خام به محصول مفید نیازمند فرایند انتخابشده، انرژی، جداسازی و کنترل شرایط است. ارزش افزوده را نمیتوان فقط با تفاوت جرم ابتدا و انتها تعریف کرد. بازیافت شیمیایی بعضی پلیمرها میتواند به شکستن زنجیر و بازیابی مواد منجر شود؛ ذوب دوباره مسیر فیزیکی متفاوتی است. بازده، مصرف انرژی و کیفیت محصول باید با هم سنجیده شوند. در یک نمونهٔ بازیافت شیمیایی، واکنش PET با متانول میتواند مواد مونومری قابل استفادهٔ دوباره فراهم کند.
ذوب دوباره بازیافت فیزیکی است؛ در بازیافت شیمیایی ممکن است پیوندها شکسته و مونومر یا مواد دیگر بازیابی شوند.
نمودار انرژی، ارتفاع انرژی حالتها را نشان میدهد. نقطه آغاز واکنشدهنده و نقطه پایان فراورده است. برای پیمودن مسیر، ممکن است لازم باشد سامانه ابتدا به سطح انرژی بالاتری برسد. این مانع را نباید با اختلاف انرژی ابتدا و پایان یکی گرفت.
اگر آغاز ۲۰، قله ۷۰ و پایان ۱۰ کیلوژول باشد، مانع رفت ۵۰ و ΔH منفی ۱۰ کیلوژول است. واکنش در مجموع انرژی آزاد میکند، ولی هنوز مانع دارد. محور افقی مسیر واکنش است؛ از پهنای قله بهتنهایی زمان واکنش را نتیجه نگیر.
در نمودار انرژی، Ea رفت از کدام دو تراز به دست میآید؟
پاسخ تشریحی: از تراز واکنشدهندهها تا بالاترین نقطه مسیر در مدل تکمرحلهای.
دو پرسش درباره دما جدا هستند: واکنش چقدر سریع انجام میشود و در تعادل چه مقدار محصول داریم؟ افزایش دما معمولاً سرعتها را افزایش میدهد. اما جهت تغییر تعادل به گرمازا یا گرماگیر بودن واکنش مربوط است. ممکن است این دو اثر برای تولید محصول در یک جهت مطلوب نباشند.
در هابر، رفت گرمازاست. دمای بالاتر معمولاً به سرعت بیشتر کمک میکند، ولی مقدار تعادلی آمونیاک را کاهش میدهد. انتخاب صنعتی باید میان سرعت عملی و محصول تعادلی مصالحه کند. پس پاسخ تکجملهای «دما را کم میکنیم تا همهچیز بهتر شود» کافی نیست.
اگر دمای تعادل تشکیل آمونیاک در فرایند هابر افزایش یابد، سرعت رسیدن به تعادل و K تشکیل آمونیاک در چه جهتهایی تغییر میکنند؟
پاسخ تشریحی: افزایش دما معمولاً سرعت رسیدن به تعادل را بیشتر میکند؛ اما چون واکنش رفت گرمازاست، K تشکیل آمونیاک کاهش مییابد.
برای تعادل وارون هابر ۲NH₃⇌N₂+۳H₂ در دمای ثابت، دانشآموز میگوید کاهش حجم همیشه تعادل را به راست میبرد و K را زیاد میکند. هر دو بخش را بررسی کنید.
جواب نهایی: تعادل به چپ جابهجا میشود و K ثابت میماند؛ هر دو ادعای دانشآموز نادرست است.
تغییر حجم ابتدا همه غلظتهای گازی را تغییر میدهد و سپس ترکیب سامانه تا برقراری دوباره تعادل تنظیم میشود. معیار شمار مول گاز جهت کیفی را میدهد، اما مقدار K در دمای ثابت عوض نمیشود.
برای N₂+۳H₂⇌۲NH₃ در دمای ثابت، حجم ظرف ناگهان نصف میشود. جهت جابهجایی، تغییر مقدار N₂ و NH₃ پس از برقراری تعادل تازه، و وضعیت K را بیان کن.
فرضها: همه گونههای معادله گازیاند، دما ثابت و سامانه بسته است.
جواب نهایی: جابهجایی به راست؛ N₂ و H₂ در مرحله پاسخ مصرف و NH₃ تولید میشود؛ K ثابت میماند.
چرا پیش از خواندن قله طیف باید نام محور عمودی را ببینیم؟
پاسخ: چون طیف جذب قله را رو به بالا نشان میدهد، اما طیف درصد عبور همان ناحیهٔ جذب را به صورت کمینه نمایش میدهد؛ پس بدون نام محور، تفسیر میتواند وارونه شود.
آیا کاتالیزگر در دمای ثابت مقدار K را بیشتر میکند؟
پاسخ: خیر؛ رسیدن به تعادل را سریعتر میکند و تعادل را جابهجا نمیکند.
آیا در تعادل غلظت همه مواد باید برابر باشد؟
پاسخ: خیر؛ سرعت رفت و برگشت برابر است، اما غلظتها میتوانند متفاوت باشند.
افزودن N₂ به تعادل هابر در دمای ثابت چه اثری بر K دارد؟
پاسخ: در دمای ثابت K تغییر نمیکند؛ افزودن N₂ ترکیب لحظهای سامانه را عوض میکند و سامانه برای رسیدن دوباره به همان K تنظیم میشود.
چرا کمترین دمای ممکن الزاماً بهترین دمای صنعتی هابر نیست؟
پاسخ: با وجود ترجیح تعادلی آمونیاک، سرعت واکنش ممکن است بسیار کم و تولید عملی نامناسب شود.
این صفحه برای جستوجوی «جزوه شیمی دوازدهم فصل ۴»، «نکات ناب شیمی» و مرور سریع کنکور و امتحان نهایی آماده شده است.