Kwalifikacja: CHM.06 - Organizacja i kontrolowanie procesów technologicznych w przemyśle chemicznym
Reakcja przedstawiona równaniem 2NO(g) + H2(g) ⇄ N2O(g) + H2O(g) zachodzi zgodnie z równaniem kinetycznym υ = k [NO]2⋅[H2]. Gdy ciśnienie w reaktorze spadnie o połowę, to szybkość reakcji
Odpowiedzi
Informacja zwrotna
Reakcja opisana równaniem 2NO(g) + H2(g) ⇄ N2O(g) + H2O(g) charakteryzuje się kinetyką, w której szybkość reakcji υ jest proporcjonalna do kwadratu stężenia jednego z reagentów (NO) oraz do stężenia drugiego reagentu (H2). Zatem wyrażenie kinetyczne υ = k [NO]²⋅[H2] wskazuje, że szybkość reakcji jest wrażliwa na zmiany stężenia reagentów. Zmiana ciśnienia w układzie gazowym prowadzi do zmiany stężeń reagentów. Przy założeniu, że objętość zbiornika reaguje na zmianę ciśnienia, gdy ciśnienie zmaleje dwukrotnie, stężenia reagentów również zmaleją. W przypadku gazu, stężenie jest bezpośrednio związane z ciśnieniem, co oznacza, że jeśli ciśnienie spada do połowy, to stężenia reagentów (które są w proporcji do ciśnienia) również spadają do połowy. W związku z równaniem kinetycznym, stężenie NO spadnie do 0,5 [NO] a stężenie H2 do 0,5 [H2]. Dlatego szybkość reakcji wyniesie: υ = k (0,5 [NO])² (0,5 [H2]) = k (0,25 [NO]²) (0,5 [H2]) = 0,125 k [NO]² [H2], co oznacza spadek szybkości reakcji ośmiokrotnie. Przykładem tego zjawiska może być reakcja spalania, gdzie zmiany ciśnienia i stężenia reagentów istotnie wpływają na wydajność reakcji i powstawanie produktów. Zrozumienie tych zależności jest kluczowe w inżynierii chemicznej oraz procesach przemysłowych, gdzie optymalizacja warunków reakcji jest niezbędna do osiągnięcia maksymalnej efektywności.
Wielu uczniów może uznać, że zmniejszenie ciśnienia dwukrotnie spowoduje zmniejszenie szybkości reakcji tylko o połowę, co jest błędnym wnioskiem. W rzeczywistości, zgodnie z równaniem kinetycznym, szybkość reakcji zależy nie tylko od stężenia jednego reagentu, ale również od jego potęgi w równaniu. W przypadku reakcji 2NO + H2, stężenie NO występuje w kwadracie, co ma kluczowe znaczenie dla obliczeń. Kiedy ciśnienie zmaleje do połowy, stężenie NO zmniejszy się do wartości 0,5 [NO], co po podniesieniu do kwadratu daje (0,5)² = 0,25. Zatem, wpływ na szybkość reakcji jest znacznie większy, niż wydaje się na pierwszy rzut oka. Najczęstszy błąd, jaki można popełnić, to ignorowanie potęg, co prowadzi do mylnego założenia, że zmiana stężenia reagentu wpływa liniowo na szybkość reakcji. Można się spotkać z odpowiedziami sugerującymi, że szybkość reakcji wzrośnie, co również wynika z nieporozumienia związanego z zasadami dynamiki reakcji chemicznych. W przemyśle chemicznym, zrozumienie tych zależności jest kluczowe dla projektowania reakcji, które odbywają się w optymalnych warunkach, aby zwiększyć wydajność procesów, co jest szczególnie istotne w procesach katalitycznych i chemii przemysłowej. W praktyce, ignorowanie potęg reagentów w równaniach kinetycznych może prowadzić do poważnych błędów w przewidywaniu wydajności reakcji, co w konsekwencji wpływa na całkowite rezultaty produkcyjne i ekonomikę procesów chemicznych.