10 жаратылыстану-математика бағытындағы 10-сыныбына арналған оқулық 1-бөлім

ХИМИЯЛЫҚ ТЕПЕ-ТЕҢДІК

Белгілі неміс химигі Франц Габер 1908 ж. аммиакты синтездеді. Реакцияға қажетті азотты ауаны сұйылту арқылы, ал сутекті метанды­ айырып алады. Жоғары қысым мен температурада осмий өршіткісінің қатысында азот сутекпен реакцияға түсіп, нәтижесінде аммиак түзіледі:

Бүгінгі сабақта:

• 
  Габер процесі мысалын­­ да химиялық өнеркә­­ сіптегі өнімнің шығы­мын арттыруда химиялық­ тепе-теңдіктің ығы­суы­ ның рөлін қарастырамыз
  

	N2 + 3H2 L 2NH3 + 92 кДж.
								Тірек ұғымдар
Ле Шателье принципіне сүйеніп, аммиак
							• Аммиак синтезі
синтезін қандай жағдайда жүргізу тиімді
							• Химиялық тепе-теңдік
екенін алдын ала болжауға болады (35-кесте).
									35-кесте
	Азот пен		сутектің стехиометриялық қоспасындағы аммиактың
				тепе-теңдік концентрациясы
Темпе­				Қысымдағы ( МПа) көлемдік пайызы
ратура, °С		1		10	30	100		200	300
400		0,4		25,12	47,0	79,82		93,07	97,73
450		0,22		16,43	35,82	69,69		89,83	97,18
500		0,12		10,61	26,44	57,47		—	—
550		0,08		6,82	19,13	41,16		—	—

175

35-кестедегі шамаларды сараптай отырып, аммиактың шығымы қандай жағдайларда жоғары болатынына қорытынды жасауға болады. Бірақ неміс технологтары аммиак өндіретін зауытты іске қосқанда, син-тез мұнарасы жарылды. Апаттың себептерін зерттей келе, жоғары тем-пература мен қысымның әсерінен сутек болат аппараттың қабырғалары арқылы сыртқа шығып, ауамен қосылып (бұл реакцияның теңдеуін құрастырыңдар), қопарылыс бергендігі анықталған. Кейін ғалымдар тығырықтан шығу жолын тапты және аммиакты өндіруді төмен тем-пература мен қысымда жүргізді. Бірақ өнімнің практикалық шығымы төмендеп кетті.

Синтезді жүргізудің қолайлы жағдайын таңдау химиялық реак­ цияның­ сипатынан шығады. Реакция теңдеуінен байқағанымыздай:

N₂ + 3H₂ L 2NH₃ + 92 кДж.

1. 
   Аммиак синтезі қайтымды, гомогенді және өнімнің көлемі азая жүретін реакция, олай болса, жоғары қысым тепе-теңдіктің оңға қарай ығысуына мүмкіндік береді. Аммиак синтезіне 15—100 МПа қысым қолданылады. Қолданылған қысымға байланысты өндірудің үш әдісі ажыратылады:
   

1) төменгі қысым (10—15 МПа);

2) орташа қысым (25—30 МПа);

3) жоғары қысым (50—100 МПа). Екінші әдіс көбірек таралған.

2. 
   Реакция экзотермиялық болғандықтан, температураның жоғары­ лауы тепе-теңдікті бастапқы заттарға қарай, ал температураның төмен­ деуі реакция өнімдерінің түзілу бағытына қарай ығыстырады. Бірақ бұл жағдайда синтез жылдамдығы өте төмен болады. Сондықтан реакцияны 450—500°С температурада жүргізу қолайлы жағдай болып табылады.
   

3. 
   Синтезді жылдамдату, тепе-теңдікті қысқа уақыт аралығында орнату үшін өршіткі керек. Өршіткі ретінде калий, алюминий оксидтері мен белсендірілген темір т.б. қолданылады. Реагенттер мен реакция өнімдері газ болғандықтан гомогенді орта түзіледі. Реакция қатты өршіткі бетінде өтеді. Бұл реакция — гетерогенді-катализдік реакция, сондықтан өршіткінің жанасу бетінің ауданының маңызы жоғары. Өршіткі кеуекті түйіршіктер немесе таблеткалар түрінде жасалады. Өршіткінің белсенділігі қоспалардың әсерінен өте тез төмендейтіндіктен, әрекеттесуші газдарды мұқият тазалайды (судан, күкірт қосылыстарынан және т.б.).
   

4. 
   Бастапқы газ қоспасын 1 көлем азотқа N₂ 3 көлем сутек H₂ келетіндей қатынаста алады. Осы жағдайларды орындағанда аммиактың шығымы 20%-ды құрайды.
   

176

Ле Шателье принципіне сүйеніп, химиялық өнер­ кәсіптегі өнімнің шығымын арттыру үшін процесті қандай жағдайда жүргізу тиімді екенін алдын ала болжауға болады.

1.	Аммиакты өнеркәсіпте синтездеудегі жағдайлардың (қысым, температура, өршіткі)
2.	рөлін сипаттаңдар.
	Көлемнің ұлғаюы тепе-теңдіктің ығысуына қалай әсер етеді?
3.	Fe2O3 (қатты) + 3СО (г) = 2Fe (қатты) + 3CO2		(г)
	Төмендегі реакциялардағы тепе-теңдік пен өнімнің шығымына қысымның артуы
	қалай әсер етеді?
	а)2H2+O2L2H2O+Q
	ә) 2NH3 L N2 +3H2	– Q
	б) H2O L H^+ + OH^–	– Q
•1.	Массасы 10,7 г аммоний хлориді 6 г кальций гироксидімен араластырылып
	қыздырылды. Түзілген газдың көлемі (қ.ж.) мен массасын есептеңдер.
•2.			Жауабы: 3,58 л ; 2,72 г.
	Массасы 8 г аммоний нитратын алу үшін қажетті аммиактың көлемі (қ.ж.) мен
	массасын есептеңдер?		Жауабы: 2,24 л; 1,7 г.

§ 42. ТАҚЫРЫП БОЙЫНША ЕСЕПТЕУЛЕР


1-есеп. а) CO (г) +2H₂(г) = CH₃OH (г); ∆H < 0;
ә) N₂ (г) + O₂(г) = 2NO (г); ∆H > 0 қайтымды реакцияларындағы тепе-теңдікке қысым мен температураның өсуі қалай әсер етеді?


Шешуі. а) реакциясының тура бағытта жүруі газ молекулаларының жалпы санының кемуіне әкеледі,яғни жүйеде қысым төмендейді:

CO (г) + 2H₂ (г) = CH₃OH (г); дельта H < 0;

3 моль 1 моль

Сондықтан Ле-Шателье принципі бойынша қысымның өсуі тепе-теңдікті тура бағытта жүретін реакция жағына қарай ығыстырады. Реакция теңдеуінен байқағанымыздай тура реакция экзотермиялық, яғни жылу бөле жүреді.Демек температураның өсуі тепе-теңдікті кері бағытта жүретін реакция жағына қарай ығыстырады. Реакция теңдеуінен байқағанымыздай тура реакция экзотермиялық,яғни жылу бөле жүреді.Демек температураның өсуі тепе-теңдікті кері бағытта жүретін реакция жағына қарай ығыстырады.

ә) Теңдеудің оң және сол жағындағы газ молекулаларының саны бірдей, сондықтан қысымның өзгеруі тепе-теңдіктің ығысуына әсер етпейді:

N₂ (г) + O₂ (г) = 2NO (г)

2моль 2моль

177

Реакция теңдеуінен байқағанымыздай реакция эндотермиялық, сондықтан температураның өсуі тепе-теңдікті тура реакция жағына қарай ығыстырады.


2-есеп. CH₄ (г) + 2H₂S(г) = CS₂ (г) + 4H₂ (г) реакциясында метанның CH₄ концентрациясының өсуі сутектің тепе-теңдік концентрациясына қалай әсер етеді?


Шешуі. Ле-Шателье принципіне сәйкес бастапқы заттардың кон­

центрациясының­ өсуі тепе-теңдікті тура бағытта жүретін реакция жағына қарай ығыстырады. Метанның концентрациясының өсуі тура реакцияның жылдамдығын арттырады, осыған байланысты сутектің тепе-теңдік концентрациясы да өседі.

3-есеп. 2NO (г) + O₂(г) = 2NO₂ (г) жүйедегі заттардың тепе-теңдік кон­центра­циялары: [NO] = 0,2 моль/л, [O₂] = 0,3 моль/л, [NO₂] = 0,4 моль/л. Тепе-теңдік константасын есептеп, тепе-теңдік күйін сипаттаңдар.


Шешуі. 1. Әрекеттесуші массалар заңына сәйкес қайтымды реакция­ лардың тепе-теңдік константасын былай өрнектеуге болады:

	[NO ]^2
^KT–T ^=	2
	[NO]^2 [O	]
	2

2. 
   Тепе-теңдік концентрацияларының сан мәндерін орындарына қоямыз:
   

[0,4]^2
KT–T ⁼ _[0,2]2 _[0,3] ^{= 13,3 моль–1.}

K_T–T > 1, демек тура бағыттағы реакция басым.

Жауабы: 13,3 моль–1.


4-есеп. А₂ (ер-ді) + В₂ (ер-ді) = 2АВ (ер-ді) берілген жүйедегі тепе-теңдік заттардың мынадай концентрацияларында орын алған: [А₂] — 0,5 моль/л; [В₂] — 0,8 моль/л; [АВ] — 1,2 моль/л. Реакцияның тепе-теңдік константасы мен А₂ және В₂ заттарының бастапқы концентра-цияларын [с₀(А₂) және с₀(В₂)] есептеңдер.


Шешуі: Берілген реакция үшін тепе-теңдік константасының өрнегін жазамыз:

	[		]
^KT–T	=		AB ^2			.
		A	B
			2	2

Өрнекке тепе-теңдік концентрацияларының мәнін қоямыз:

^KT–T ^=	1,	2^2	= 3,6.
	0 , 5	⋅ 0,8

178

А₂ және В₂ заттарының бастапқы концентрацияларын есептейміз. Тепе-теңдік жағдайында АВ затының концентрациясы 1,2 моль/л құрайды. 1,2 моль АВ, заты түзілуі үшін А₂ және В₂ заттарының әрқайсысынан 0,6 моль керек. Реакция теңдеуі бойынша АВ және А₂ (немесе В₂) заттарының қатынасы (2:1):


^А2(ер-ді) ^{+ В}2(ер-ді) ^{= 2АВ}(ер-ді)
0,6 моль 0,6 моль 1,2 моль

Тепе-теңдік кезінде 1 л ерітіндіден 0,6 моль А₂ заты реакцияға түсіп,

0,5 моль зат қалады. Олай болса А₂ затының бастапқы концентрациясы:

0,6 + 0,5 = 1,1 моль/л.

АВ заты түзілуі үшін В₂ затынан да 0,6 моль жұмсалып, 0,8 моль қалады. Онда В₂ затының бастапқы концентрациясы:

0,6 + 0,8 =1,4 моль/л.

Жауабы: К_Т-Т = 3,6; с₀(А₂) = 1,1 моль/л; с₀(В₂) = 1,4 моль/л.


5-есеп. А₂ (ер-ді) + В₂ (ер-ді) = 2АВ (ер-ді) қайтымды реакциясының тепе-теңдік константасы белгілі бір температурада 0,25-ке тең. А₂ және В₂ заттарының бастапқы концентрациялары сәйкесінше 1 моль/л және 3 моль/л. А₂, В₂ және АВ заттарының тепе-теңдік концентрациясын анықтаңдар.


Шешуі:
Берілген реакцияның тепе-теңдік константасының өрнегін жазамыз:

	[		]
^KT–T	=		AB ^2			.
		A	B
			2	2

АВ затының тепе-теңдік концентрациясы: [АВ] = х моль/л, ал х моль АВ заты түзілу үшін А₂ және В₂ заттарының әрқайсысынан х моль зат керек. Онда А₂ және В₂ заттарының тепе-теңдік концентрациялары сәйкесінше (1 – х) моль/л және ( 3 – х ) моль/л болады.

Белгісіз х арқылы белгіленген тепе-теңдік концентрацияларының мәнін жоғарыдағы өрнекке қоямыз:

^KT–T ^=	x2
		.
	( 1 − x )( 3 − x)

Тепе-теңдік константасының мәнін (0,25) ескере отырып теңдеуді шешеміз:

0,25 =	x^2
		;
	( 1 − x )( 3 − x)

x2 = 0,25(1 – x)(3 – x);

179

0,25(x2 – 4x + 3) = x2;

3x2 + 4x – 3 = 0.

_{x2 =} −4 ± 16 − 4 ⋅ 3 ⋅ ( −3 ) _.

2 ⋅ 3

x₁ ≈ 0,53; x₁ ≈ –1,9.

Теңдеудің бірінші түбірін ғана аламыз, өйткені екіншісінің физи­ калық мәні жоқ.

Сонымен АВ затының тепе-теңдік концентрациясы шамамен 0,53 моль/л құрайды. А₂ және В₂ заттарының тепе-теңдік концентра-цияларын есептейміз:

[А₂] = 1 – 0,53 = 0,47 моль/л;

[В₂] = 3 – 0,53 = 2,47 моль/л.

					Жауабы: [АВ] = 0,53 моль/л;
						[А2] = 0,47 моль/л;
						[В2] = 2,47 моль/л.
1.	Fe2O3 (қ) + 3CO (г) = 2Fe (қ) + 3CO2 (г)
2.	Көлемнің ұлғаюы тепе-теңдіктің ығысуына қалай әсер етеді?
	Берілген реакциялардағы тепе-теңдік пен өнімнің шығымына қысымның артуы
	қалай әсер етеді?
	а) 2H2 + O2		L	2H2+Q
	ә) 2NH3	L	N2	+ 3H2	– Q
3.	б) H2O	L	H+ + OH–		– Q
	Келесі реакциялардың тепе-теңдік константасының өрнектерін жазыңдар:
	а) C2H2 (г) + 2H2 (г) L C2H6 (г)
	ә) 2СH4 (г) L C2H2 + 3H2 (г)
4.	б) 3Fe (қ) + 4H2O (г) L Fe3O4 (қ) + 4H2 (г)
	Берілген реакциялардың тепе-теңдік константасының өрнектерін жазыңдар:
	а) H2 (г) + I2 (г)			L 2HI (г)
	ә) C2H4 (г) + H2 (г) L C2H6 (г)
	б) 3O2 (г) L 2O3 (г)
	в) C (қ) + H2O (г) L CO (г) + H2 (г)
•1.	H2 + I2 L 2HI реакциясында тепе-теңдік орнағаннан кейін сутек концентрациясы
	4 есе өсті. Тепе-теңдік сақталу үшін йодсутектің HI концентрациясын неше есе
•2.	өсіру керек?					Жауабы: 2 есе.
	Қайтымды реакция A + B L 2C теңдеуімен сипатталады. А және В заттарының
	әрқайсысы 1 мольден алынды. Тепе-теңдік орнағанда қоспада 1,5 моль С заты
•3.	қалды. Тепе-теңдік константасын табыңдар.					Жауабы: KT–T = 36.
	А, В және С заттарының әрқайсысын 3 мольден алып араластырды. 2A L B + C
	жүйеде тепе-теңдік орнағанда С затының 4 молі қалды. Тепе-теңдік константасын
•4.	есептеңдер.					Жауабы: KT–T = 16.
	CO+H2OLCO2+H2				реакциясына қатысатын заттардың бастапқы концентра­ция­
	лары с(CO) = 0,1 моль/л, С(H2O) = 0,4 моль/л, реакцияның тепе-теңдік констан­

180

тасы 1-ге тең. Реакцияға қатысушы заттардың тепе-теңдік концентрациясын есептеңдер.
Жауабы: [CO] = 0,02 моль/л; [H2O] = 0,32 моль/л; [CO2] = [H2] = 0,08 моль/л.

•5. Тепе-теңдік жүйедегі 2NO2 L 2NO + O2 заттардың концентрациясын 3 есе азайтса, тура және кері реакциялардың жылдамдықтары қалай өзгереді? Тепе-теңдік қай бағытқа ығысады?

Жауабы: v = 9 есе; v =27 есе азаяды,


_тура тепе-теңдік_кері солға ығысады.

№3-ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫС