Ebook Nhiệt động trong hóa kỹ thuật: Phần 2

Nối tiếp nội dung phần 1 cuốn sách Nhiệt động trong hóa kỹ thuật, phần 2 giới thiệu các ứng dụng nhiệt động trong hóa kỹ thuật, nhiệt động cho quá trình không cân bằng. Cuối sách có phần bài tập ứng dụng để người học có thể ôn tập và củng cố lại kiến thức.

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QU x» , Chuong V V.1 GIỚI THIỆU CHUNG Trong hố kỹ thuật, có nhiều q trình chế biến ngấềY liệu thành sản phẩm hoá học mang đặc điểm khác tụỳ thuộc dạng nguyên liệu cơng nghệ chế biến Tuy có nhiều q trình chế biến nguyên liêu khác đa đạng phân làm hai quế) trình sau: — Quá trình chuyển chất từ trạng thái Sang trạng thái khác không làm thay đổi chất thành phần , hoá: học chúng | | - Quá trình chuyển chất phản ứng oa hoc chất có hệ để tạo chất có thành phần hoá học nguyên liệu ban đầu — dị Theo quan điểm nhiệt động hoc Co dién, chi xem xét q trình biến đổi lượng có q trình biến ,đổi trạng thái biến đổi chất thơng qua iif i đại lượng nhiệt động entanpi (AH), entropi (AS), néi ning (AU) hoac nhiệt động đẳng áp đẳng nhiệt AG hay đẳng tích đẳng nhiệt AF Các NI ẳ tính chất khác với đại lượng nhiệt động lại: phần - | ánh đặc điểm điều kiện biến đổi trình Vì dùng đại lượng để xem xét khả nãng điều kiện trình biến đổi xảy theo hướng cần thiết cho ' trình Khi trình: xảy phải biết thành phan cấu tử biến đổi đạt cần va từ xác định hiệu suất chuyển hoá cân phản ứng điều kiện chọn Trên cở nhiệt động học, dé xuất chế phản ứng khi' biến đổi từ cho phép nghiện cứu khơng hệ tÌ | vĩ mơ mà ca, hệ vi mơ q trình | V.2 DÙNG NHIỆT ĐỘNG ĐỂ XÉT KHẢ NÀNG VÀ ĐIỀU KIỆN QUA TRÌNH BIẾN ĐỔI | V.2i k Xác định hướng tr inh biến đổi | ‘Huong trình biến đổi phản ứng chuyển pha nguyên tắc _có thể đựa vào đấu giá trị nhiệt động điều kiện cụ thể : thực biến đổi s ‘| 49 x xvx LÍ: Dong oop ^ Ví dụ, với q trình biến đổi xây điều kiện đẳng áp, đẳng nhiệt, ta xét khả xảy q trình thong qua nhiệt động đẳng áp, đẳng nhiệt AG+: 190 ?DF GL: Nguyên Thanh Tú WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQU WEDMDAOT E TƯ HH VU Khi AGT 2H/IÍUN WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QU >0, q trình không xảy theo chiều mong muốn (chiều thuận) AGT nh } 415 -26462 Gii ! =: = CgH;CHO/j | AH,ea/mol | $đ/âafmold | | @gHgGHOạ | | &2 + d AY “TỶ có bảng sau: ye ' Gey F °K 10°K 298 2,06 31,36 373 4,25 2,90 323 ‘AG? 7,83 12,6 194 Dong gop )PDEF' GÌ Nguyén Thanh Tu WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQLU WWW.DA YKEMQUYNHON.UCOZ.COM WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QU Vậy nhiệt độ phản ứng từ 2989K đến 3739K, hệ có CaHsCHƠ nhỏ, 3739K 2,9.10°° AGT > Ö nống độ cân bảng có =< s &S ASS , Vay néu chi xét AGS chua du két luận khả xảy trình ỳ —* > nity phải xét thêm AHT phụ thuộc nhiệt độ định chiếu, khả xảy Nếu AGT thay đổi nhiều theo nhiệt độ cân bang AH? thay đối định chiều phản ứng xảy AGS Con DHY đổi nhiều theo nhiệt độ so với AGS thay thi chiéu phan ting phụ thuộc §giá trị AH' Vì xét khả nang va chiều phản ứng phải xem xét dã ba đại lượng AG?, AH AS% có kết luận xác khả = chiều trình xảy -— V.2.2 Chọn điều kiện phản ứng kX V.2.2.1 Chọn nhiệt độ phẳẩn ing ` Nhiệt đệ phản ứng tuỳ thuộc _ chất cấp “chất tham gia phản ứng, có chất phản ứng với nhiệt độ thuong, có nhiều chất kiện ứng với nhiệt độ cao Các phan ứng oxy hoá thường xảy nhiệt độ không cao, cồn phản ứng cháý thường xây nhiệt độ cao Vì vào hiệu ứng nhiệt 'phản ứng AH hay nhiệt động để xem xét chọn nhiệt độ thích hop cho phan ứng khơng xúc tắc Ww Ví d ụ Cho phản ứng sau áp, suất Lat: : Y2NO; ==> N;O¿ “Cho biết giá trí(mệt động sau: _“Chất X AH®, eal/mol | eNO, ˆ NạO¿ -8091,0 2309,0 S° cal/mol.độ 57,46 72,73 Hãy xem xết phản ứng tiến hành nhiệt độ thích hợp Giải” - Để tìm nhiệt độ phản ứng thích hợp phải xem xét nhiệt động phản ứng Trong trường hợp gần chọn biểu thức nhiệt động Psat 195 Dong gop PDF boi GV Nguyên Thanh Tu WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQU WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QU Với giá trị nhiệt độ khác ta có AG khác theo sa Nhiệt độ AGS phan tng 273°K -2355 cal/mol 298°K —1300 cal/mol 329°K Ocal/mol 2NH; xây phản ứng ta dùng biểu thức nhiệt 'Á - ` ] = — 3— + AG? PNaPn› g.” ụ ° han C = x (—16,7) —-0-0=- 33,4 kJ/mol , | “:PNHạ AGT = 2,3 x 8,314 xT'xlg———— : -—— PN¿Pn;, a - 33,4 si 196 boi GV Nguyên Thanh Tu WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQU WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QU Dấu AGT thay đổi thay đổi áp suất riêng phần cấu tử hỗn hợp khí tham gia phản ứng tạo NHạ Vì cố định nhiệt độ mà thay đổi áp suất riêng phần cấu tử hỗn hợp làm thay đổi = | aw) đấu AGT Nếu phan ứng 298°Kva thay đổi áp suất riêng phần cấu.Š sau: ,“ Y tử Na, Hạ NHạ hỗn hợp khí phản ứng ta có giá trị AGT A PNHạ 8f DNa Af PHạ, âf 0,1 { 1 1 100 100 001 0,01 1,47 0,01 AG, kJ/mol [` ` — 44,7 ES -33A ˆ s 10,4 z Hi, | 4535 —— Sy, Két qua cho thay, quan hệ áp suất riêng phần NHạ Nạ, Hạ có giá trị định AG° < AG?° = hay AG° > Nghĩa điều kiện nhiệt độ cố định thay đổi áp suất riềng phần cấu tử én hợp phản ứng xảy theo chiều: thuận nghịch tuỳ thuộc thành phần hỗn hợp khí phản ứng Trong cơng nghiệp để tổng hợp NHa phải tiến hành nhiệt độ lớn 500°C; sáp suất khoảng 30 Ä⁄Pa (300 z) có mặt xúc tác Khi cân bang nhanh đạt hiệu suất tạo thành NH3 sé cao; điều kiện chuẩn: AGĐ < phản ứng xảy chậm hiệu suất tạo thành NH: thấp Như để tổng hop NH3 xúc tác phải chọn đồng “thoi ca nhiệt độ áp suất để thực phan Ứng tạo NHạ từ hợp khí, No Hạ ngun chất (ít tạp chất nhất) Kết biến đổi thành phần NHạ hỗn hợp khí cân phụ thuộc nhiệt độ | áp suất mơ tả HN Tình V.1 Trên hình V.1 thay” Tố, cố định áp suất nhiệt độ phản ứng tăng cân dịch chuyển phía trái, nghĩa phân huỷ sản phẩm làm cho nồng độ NHa cân giảm, giảm nhiệt độ phản tin g thi can bang chuyén vé phía ngược lại làm tăng nồng độ NHạ hợp khí tốc độ phản ứng bỳ chậm lại, lâu đạt cân Úng với áp suất tổng hợp có | thành phần cân tương ứng với nhiệt độ chọn Ví du: — 500°C áp suaét MPa thi tao 10% NH3 RY ne — G6 500°C va ap sudt 10 MPa thi tao thành 50% NHạ ~ & 500°C va 4p suat 100 MPa thi tao 92% NH3 197 Dong gop PDF béi GV Nguyén Thanh Ti ` _ WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQU WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.0 ° OU nn So BM — So % chuyển hoa NH3 WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM 92 100 “Ÿ 500 ỷ 0C NHạ hỗn hợp khí Hình V.1 Phụ thuộc mức đệ chuyển hố N Hạ vào nhiệt độ cấc`áp suất khác sáp suất định phản ứng Như nhiệt độ cố định, với theo chiều tạo g*thuận nghịch trình tổng hợp NHạ xảy khôn C áp suất thấp, phán ứng xảy amoniac; nhiệt độ cao 500° ều phân huỷ NH3 không thuận nghịch theo/chi te V.2.2.3 Chọn thành phâu chất phần ứng trạng thái khí, lỏng, rắn thành phần Di phan ứng thực hiởện ển chuy đến cân hiệu suất chất tham gia phản ứng có ảnh hưởng hệ thành phần chất phản ứng hoá thành sản phẩm Đối với hệ khí, h thàn p g p¡ biết áp suất chun thể qua áp suất riêng phần phần chất Nj‘theo quan hé: 4% AS | | i y ft =p =P ` Ị Khiá »'§uất tron : theo Ko hệ phản ứng nhỏ cân tính fy! † Midu | {| _ hị ete Ha F | A, ie phán áp suất thấp, hãng số cânị cua Cho phản ứngCá «SOa + 2 ' => SQa sóng 208 « ứng viết dạng: Y | ths zÈ Kp NLS = —_— — Pso3 Psoas yr LÍ `Y ˆN nj =P pi=Nip= ¢ 1/2 Po, J 198 al SNE has OW AT ` Đóng góp|l DF boi GV Nguyén Thanh Tu WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQU WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QU Như nhiệt độ áp suất định, thành phần chất tham gia phản ứng ảnh hưởng trực tiếp đến số cân chuyển hoá cân Do thành chat phan ting | SO+ phần cân hệ phụ thuộc thành phan ban đầu © AL y Vi du, & 1000°K va 1,013.105 N/m, hop ban đầu chứa l „ø#< 0,6 mol O2 cho phan ting dat can bang thi hop 0,22 moi SOa Hãy xác định số cân phản ứng: 2SO2 + O2 == 2803 chứa `” A ( Ñ3 Giỉi: Theo phần ứng trén thi dé tao 0,22 mol SO3 can pha t ~~ 22 mol 502 va 0,11 mol O2 Vi vay ta viết: | cề 0,6 | mol | Thành phần ban đầu: © 06-0, Ie =O, 22 1-0,22 Khi cân có: Téng số mol can bang En;= 0,78 + 0,49 + 0,22 = St 49 Vậy áp suất riêng phần cấu tử can iss sau: —iy pis = Nean= CC x 1/6155%82= 351,10" Whe " - 1,49 Ss ` Poạ =No„p = va “¿01540 Pso, = = Nso;-P 0/22 SS —£ 40” Ni 013 10 = 3,210! N/n? 15.10 Nine % Và số cân Hiệu Ứng điều kiện cho là: Psoy Ky = Paps” Poo” - (15104) (5,31.10° 42)~ x 3,22.10 = 24 1074 Mine) Như vay ta thay, hop chất phản ứng cịn ì đư so với hệ số tỷ lượng làm cho tổng số mol En; hỗn hợp cân tặng lên, làm giảm thành! phan cấu tử trạng thái can bang Néu Ynj cdng tang thi ni/Znj cang giảm, nghĩa hộn hợp phản ứng có chứa thất trơ không phản ứng làm giảm hiệu suất chuyển hố cân Vì chọn nồng độ chất phản ứng cao có lợi cho phản ứng “=-— Vs J1 Chon xiic tac cho phản ứng “Hai phân tử muốn tương tác với chúng phải có lượng Wóạt hố cần thiết để phản ứng tạo hợp chất trung gian có hoạt + ARK y Of }} v Dong gop PDF 199 boi GV Nguyên Thanh Tu WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQU WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QU tính, kế chúng phân huỷ tạo thành sản phẩm phản ứng Tốc độ = Thế phản ứng xác định tốc độ hình thành trạng thái chuyển tiếp tao ‘3 RLY " vs chuyển tiếp hợp chất trung gian hoạt tính Khi có lượng vượt qua thêm luong E,, d6 cao thém nang luong so với lượng ban đầu | A pra ™ phân từ lượng hoạt hố | chất cịn ứng; phản hiệu số lượng đầu cuối ‘chat bang nhiét phan tmg AH (hình ~ V.2) a : wo’ Hình V.2 Thám thề phần ứng Chất.xúc tác hợp chất mà có mặt làm cho phản ứng xảy được, cịn khơng có hợp chất phản ứng khơng xảy điều kiện Việc , chọn xúc tác cho phản ứng hoá học dựa sở lượng hoạt hơá cấu tử tham gia phản ứng Vì biết đặc trưng nhiệt động chất làm xúc tác chất phản ứng có xúc tác tham gia cớ “thể chọn xúc tác cần thiết cho phản ứng t : | || || | chất TY Biết lực tương tác hoá học gif@-sáe phản ứng với xúc tác hình - chất khơng gia -Với xúc tác có có hoạt tính cao éó khả phản ứng | a với cấu tử cịn lại hệ phản ứng Kết nhờ ¿ó xúc tác rnà chất hệ ụ suất chọn Do chọn xúc tác i i if phản b ‘3 i ứng đã: thực 'Do có tham chất tham gia với xúc tác để tạo hợp chất | | ace! thành xúc tác có lực hố học it chất phần ứng - _ trình Tương tác Xúc tác chất phản ứng đặc trưng giá trị đẳng áp âm nhỏ sơ với đẳng áp phản | | ứng dtđược với nhiệt độ áp ' hợp lý tiến hành phản ứng ` l Hình V.3 hệ phản ứng có xúc tác Cơ sở chọn xúc tác nhiệt động sử dụng đạiđi lượng hoá học AG+ cho hệ phản ứng có xúc tác thơng qua giá trị _ nửa tổng lượng phản ứng (AG) nhiệt động phản | A `Ying với loại xúc tác khác Xúc tác tạo phản ứng có lượng |“: gần với lượng tổng phạm vi nhiệt độ khảo sát có phản ứng (hình V.3) 200 Đóng góp "DF bei GV Nguyên Thanh Tu ==.- WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QU Xét phản ứng: A + B xúctác, M Với hai loại xúc tác b c có giá trị AGf- khác so với giá trị 2AGT ** ° * + + ` + + ve + > ] * AS * phản ứng tổng Với xúc tác b nhiệt độ cao Tạ nhỏ TỊ giác‘ti : AGS cia phan ứng xa đần giá tri (AG) phản ứng tổng, Với xúc bo è nhiệt độ cao Tị nhỏ T; có giá trị AGT+ gần với giá trị.“ LMG so _ với xúc tác b Như xúc tác b dùng vùng nhiệt độ nhờ! tên Tạ lớn TỊ , xúc tác c dùng tốt nhiệt độ Tị lớn Tạ, Theo lượng nguyên lý tương ứng xúc tác, hợp dig aso chất trung gian tạo thành phản ứng cố 550 phản ứng AH nhỏ lần hiệu ứng nhiệt phan ứng xúc tác 450 xúc tác tham Khi formic gia cố hiệu ứng nhiệt nghiên cứu phân huỷ axit với chất xúc tác kim \ ie ÂU < ,điềng phần cấu tử hồ tan dung dịch có dạng: p$ =u