Химиялық-технологиялық үдерістердің негізгі заңдылықтары. ХТҮ-дің термодинамикасы және кинетикасы

1.

С.Ж.Асфендияров атындағы
Қазақ Ұлттық Медицина
Университеті
Казахский Национальный
Университет имени
С.Д.Асфендиярова
Биотехнология және жалпы химиялық технология кафедрасы
Химиялық-технологиялық үдерістердің
негізгі заңдылықтары. ХТҮ-дің
термодинамикасы және кинетикасы.
Алматы, 2024

2.

Жоспар:
Химиялық-технологиялық
үдерістегі
реакциялардың жіктелуі.
Реакция тәртібі және молекулярлығы.
Химиялық айналулар стехиометриясы.
Химиялық реакциялардың тепе-теңдігі.
Тепе-теңдікті ығыстыру тәсілдері.
ХТҮ кинетикасы.
химиялық

3.

Химиялық реакцияның жіктелуі
Өнеркәсіптік үдерістерде жүретін химиялық реакциялар әртүрлі. Оларды әртүрлі
белгілері бойынша жіктейді.
Реакцияны жүргізу жағдайы бойынша:
1.
Изотермиялық (Т=const) және изотермиялық емес (Т≠const );
2.
Тұрақты немесе ауыспалы қысымда;
3.
Адиабаттық (қоршаған ортамен жылу алмаспау) және адиабаттық емес
(қоршаған ортамен жылу алмасу) реакциялар
Бастапқы реагенттер мен реакция өнімдері бір немесе бірнеше фазалардан түзілуіне
байланысты:
1. Гомофазалы реакциялар – бастапқы реагенттер, тұрақты аралық заттар және реакция
өнімдері бір фазада болады.
2. Гетерофазалы реакцялар – бастапқы реагенттер, тұрақты аралық заттар және реакция
өнімдері әртүрлі фазада болады.

4.

Реагенттердің фазалық күйі бойынша гомогенді және гетерогенді реакциялар
болып бөлінеді.
• Реакцияның гомогендігі және гетерогендігі белгілі бір дәрежеде,
реакцияның қандай да бір фаза көлемінде немесе фазалардың бөліну
бетінде жүру механизмін көрсетеді.
Реакцияның механизмі бойынша:
- қарапайым,
- параллельді
- кезектесіп жүретін реакциялар.
Химиялық
реакциялар
жылу
эффектісі
бойынша
жіктеледі.
Экзотермиялық реакция жүргенде жылу бөлінеді де (Q>0) реакциялық
жүйенің энтальпиясы кемиді (∆Н<0). Эндотермиялық реакция жүргенде
жылусіңіріледіде(Q<0), реакциялықжүйеніңэнтальпиясыартады(∆Н>0).

5.

Реакцияның элементарлы актісіне қатысатын молекуланың санына
байланысты химиялық реакцияның молекулалығы бойынша:
- моно-, би- және үшмолекулярлы реакциялар болып бөлінеді.
Кинетикалық теңдеудің түрі (химиялық реакция жылдамдығының
реагенттер концентрациясына тәуелділігі) реакцияның реті бойынша
жіктеуге мүмкіндік береді. Реакцияның реті – кинетикалық
теңдеудегі
реагенттердің
концентрацияларының
дәреже
көрсеткіштерінің қосындысы.
- бірінші, екінші, үшінші, бөлшекті ретті реакциялар
Химиялық реакцияның жылдамдығын өзгертетін арнаулы заттар –
катализаторлардың
қолданылуы
немесе
қолданылмауына
байланысты:
- катализдік,
- катализдік емес реакциялар

6.

Реакция молекулярлығы
Реакцияға түсетін молекулалар саны реакцияның молекулярлығын көрсетеді.
Егер реакцияға бір молекула түсетін болса, ол бірмолекулярлы реакция деп аталады.
t0
h
А В
Вг2 2Вг
a) мономолекулярлы: А В + С
ыдырау:
- реакции изомеризация реакциясы, термиялық
бутан изобутан
бимолекулярлы: А + В С ең кең таралған реакция типі
Н2 + Вг2 = 2НВг
тримолекулярлы: А + 2В С, 3А В өте сирек кездеседі
NO + NO+ O2 = 2NO2

7.

Реакция молекулярлығы
Реакция
молекулярлығы
Жалпы
формула
Мысалдар
1
А→В+С
I2 = I + I
2
А+В→С
HI + HI = H2 + I2
3
А + 2В → С
2NO + O2 = 2NO2

8.

Реакция тәртібі
• Реакцияның тәртібі реакцияның кинетикалық теңдеуімен
анықталады және осы теңдеудегі концентрациялардағы
көрсеткіштердің қосындысына тең.
• Реакциялар 1-ші, 2-ші, 3-ші, сонымен қатар бөлшек немесе
нөлдік тәртіпте болуы мүмкін.
Реакция
Кинетикалық теңдеу түрі
Реакция
тәртібі
А→В+Д
υ = - dC/dt = КСА
1
А +В → Д
υ = - dC/dt = К·СА·СВ
2
А +В + С → Д
υ = - dC/dt = К·СА·СВ·СС
3

9.

Химиялық айналулар стехиометриясы.
Өнеркәсіптік химиялық-технологиялық үдерістердің негізіне жататын химиялық
реакцияларды өрнектеу үшін химияның негізгі заңдары – стехиометрия
заңдары, химиялық тепе-теңдік және химиялық кинетика қолданылады.
Стехиометрия – әрекеттесуші заттардың массалары немесе көлемдерінің
арақатынасы туралы ғылым. Стехиометрия негізіне – массалар сақталу,
эквиваленттік, Авагадро, Гей-Люссак, құрамтұрақтылық, еселі қатынас заңдары
жатады. Реакцияға қатысатын заттардың арақатынасы стехиометриялық деп
аталады
Химияда стехиометрия заңдары заттардың формуласына байланысты
есептеулерде және алынатын реакция өнімдерінің теориялық мүмкін болатын
массаларын анықтауда қолданылады. Реакцияның стехиометриялық теңдеуі
массалар сақталу заңы негізінде жазылады.

10.

Химиялық реакцияның тепе-теңдігі
• Энергия
жылу немесе жұмыс түрінде енгізілгенде не болмаса шығарылғанда
термодинамикалық жүйе күйінің өзгеруін термодинамикалық үдеріс деп атайды.
• Көптеген өнеркәсіптік химиялық реакциялар қайтымды. Бұл кезде химиялық өзгеру үдерісі екі
бағытта жүреді. Бастапқы заттар арасында химиялық әрекеттесулермен қатар (тура реакция)
өнімдер арасында әрекеттесулер (кері реакция) жүреді. Үдерістің жүру барысында тура
реакцияның жылдамдығы кемиді, кері реакцияның жылдамдығы артады. Бұл реакцияның
жылдамдықтары теңескенде химиялық тепе-теңдік орнайды.
• Химиялық тепе-теңдік сыртқы жағдайлар өзгермеген кезде химиялық жүйені құрайтын
заттардың молекулалар санының өзгермейтіндігін сипаттайды. Өйткені тұрақты температура
мен қысымда тепе-теңдік өлшемі Гиббс энергиясының (dG=0) минимумы болса, онда
химиялық тепе-теңдік кезінде:
теңдігі сақталуы керек.
Мұндағы:
компонентінің химиялық потенциалы;
(моль). Ал химиялық потенциалдың мәні мынаған тең:
компонентінің мөлшері

11.

Технологиялық процестердегі тепе-теңдік және
оған әсер ететін факторлар.
Химиялық реакциялар қайтымды және қайтымсыз болып бөлінеді.
Шындығында барлық реакциялар қайтымды. Берілген жағдайда байланысты (Т,Р,С)
реакция тура және кері жүре алады. Дегенмен көптеген химиялық реакциялар бір
бағытта өте аз жылдамдықпен (іс жүзінде ноль жылдамдықпен) жүре алады,
сондықтан мұндай реакцияларды шартты түрде қайтымсыз реакция деп санайды.
Мысалы, Әк «сүтінің» СО2-ні сіңіру реакциясы
CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O
Іс жүзінде қайтымсыз, өйткені түзілген CaCO3 суда аз ериді, сөйтіп тұнбаға
түседі. Технологиялық процестерді іске асырғанда ең алдымен мынаны білу керек:
1) Таңдап алған шикізатты өңдегенде қандай реакция жүреді (қайтымдықайтымсыз).
2) Берілген өнімді қамтамасыз ететін негізгі реакция қаншалықты терең жүреді.
3) Мақсатты өнімінің максималды шығымы қандай.
Негізгі реакцияның қаншалықты терең жүретінін реакцияның тепе-теңдік
орнау жағдайларынан білеміз. Сондықтан тепе-теңдікте жүретін реакцияға
оптималдық жағдайларды орнатуды білу керек.

12.

Жылжымалы тепе-теңдік
- тура және кері жүретін процесстер жылдамдығы теңескенде орнайды. Тепе-теңдікті бір жағына жылжыту үшін
реакцияға қатынасушы заттың біреуінің концентрациясын өзгерту керек.
Тепе-теңдіктегі мына теңдеуді қарастырайық
А+Б = В+Г қайтымды реакция
V1=K1[A][Б];
Химиялық тепе-теңдік кезінде V1=V2демек
V2=K2[B][Г]
K1[A][Б]= K2[B][Г] болады.