Kimyo · Kimyoviy reaksiyalar · 8-sinf

Qaytar reaksiya va muvozanat

Nega NO₂ ampulasi muzda oqaradi, ammiak kolonnasi esa yuqori bosimda ishlaydi?

Vaziyat

Navoiyazotning ammiak sexida azot va vodorod aralashmasi temir katalizatordan o‘tadi — lekin hech qachon to‘liq ammiakka aylanmaydi: reaksiya ikki tomonga boradi. Muhandislar uni yuqori bosimda (100 atm dan ortiq) va 400–500 °C da ushlab turishadi. Kimyo xonasida ham shunday hodisa bor: qo‘ng‘ir NO₂ to‘ldirilgan ampulani muzli suvga solsangiz, u deyarli rangsizlanadi, issiq suvda esa qorayib ketadi. Qaytar reaksiyalar qanday muvozanatga keladi va bu muvozanatni qanday siljitish mumkin?

Mavzu

Qaytar reaksiyalar va kimyoviy muvozanat. Navoiyazot ammiak kolonnasi: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ — bosim oshsa muvozanat o‘ngga, harorat oshsa chapga; qo‘ng‘ir NO₂ ampulasi sovuqda rangsizlanadi

Asosiy tushunchalar

Dinamik muvozanat
Le Shatelye prinsipi
Muvozanat konstantasi

Formulalar

N_{2} + 3 H_{2} \overset{}{⇌} 2 NH_{3} Δ H = - 92 kJ

Ammiak sintezi: o‘ngga 4 mol gaz → 2 mol gaz, issiqlik chiqadi.

2 NO_{2} \overset{}{⇌} N_{2} O_{4} Δ H = - 57 kJ

Qo‘ng‘ir NO₂ ning rangsiz N₂O₄ ga dimerlanishi (laboratoriya ampulasi).

v_{\to} = v_{\leftarrow}

Dinamik muvozanat: to‘g‘ri va teskari reaksiya tezliklari teng, konsentratsiyalar o‘zgarmaydi.

K_{c} = \frac{{[C]}^{c} {[D]}^{d}}{{[A]}^{a} {[B]}^{b}}

Muvozanat konstantasi $a A + b B ⇌ c C + d D$ uchun; faqat haroratga bog‘liq.

K_{c} = \frac{{[HI]}^{2}}{[H_{2}] [I_{2}]} = 50,5 (448^{\circ} C)

$H_{2} + I_{2} \overset{}{⇌} 2 HI$ : «Muvozanat konstantasi» rejimidagi masalalar uchun.

Nazariya

Qaytar reaksiyalar va dinamik muvozanat

Qaytmas reaksiyalar oxirigacha boradi: yonish, cho‘kma tushishi yoki gaz chiqib ketishi. Qaytar reaksiyalar bir vaqtda ikki yo‘nalishda boradi ( $⇌$ ): mahsulotlar qaytadan boshlang‘ich moddalarga aylanadi. Boshida to‘g‘ri reaksiya tez, teskarisi sekin; mahsulot to‘plangan sari $v_{\to}$ kamayadi, $v_{\leftarrow}$ ortadi va ular tenglashadi — kimyoviy muvozanat qaror topadi. Muvozanat dinamik: reaksiyalar to‘xtamaydi, lekin har soniyada qancha N₂O₄ hosil bo‘lsa, shuncha parchalanadi, shuning uchun konsentratsiyalar o‘zgarmaydi. Muvozanatga ikki tomondan — sof NO₂ dan ham, sof N₂O₄ dan ham — kelish mumkin, natija bir xil.

Muvozanat konstantasi

$a A + b B ⇌ c C + d D$ uchun $K_{c} = {[C]}^{c} {[D]}^{d} / ({[A]}^{a} {[B]}^{b})$ — muvozanatdagi konsentratsiyalar (mol/l) bilan; qattiq moddalar va erituvchi suv ifodaga kirmaydi. $K$ faqat haroratga bog‘liq. Istalgan paytdagi xuddi shunday kasr — reaksiya nisbati Q: $Q < K$ bo‘lsa reaksiya o‘ngga, $Q > K$ bo‘lsa chapga boradi, $Q = K$ — muvozanat. Masalani yechish (BO‘M jadvali): Boshlang‘ich, O‘zgarish, Muvozanat. Masalan, 1 l idishda 0,5 mol H₂ va 0,5 mol I₂ (448 °C, $K_{c}$ = 50,5): $x$ mol H₂ sarflansa, ${(2 x)}^{2} / {(0,5 - x)}^{2} = 50,5$ → $2 x / (0,5 - x) = 7,11$ → $x$ = 0,39 mol, HI = 0,78 mol. $H_{2} + I_{2} \overset{}{⇌} 2 HI$ da gaz mollari soni o‘zgarmaydi, shuning uchun $K_{c}$ birliksiz va hajmga bog‘liq emas.

Le Shatelye prinsipi

Muvozanatdagi sistemaga tashqaridan ta’sir qilinsa, muvozanat shu ta’sirni kamaytiradigan tomonga siljiydi (A. Le Shatelye, 1884). Konsentratsiya: boshlang‘ich modda qo‘shilsa yoki mahsulot olib chiqilsa — o‘ngga. Bosim: oshsa — gaz mollari kam tomonga: $N_{2} + 3 H_{2} \overset{}{⇌} 2 NH_{3}$ da (4 → 2 mol) o‘ngga, $2 NO_{2} \overset{}{⇌} N_{2} O_{4}$ da ham o‘ngga; $H_{2} + I_{2} \overset{}{⇌} 2 HI$ da (2 → 2) ta’sir qilmaydi. Harorat: oshsa — endotermik yo‘nalishga. Ammiak sintezi ( $Δ H$ = −92 kJ) va NO₂ dimerlanishi ( $Δ H$ = −57 kJ) ekzotermik, shuning uchun qizdirilganda muvozanat chapga siljiydi: ampula issiq suvda qorayadi, muzda oqaradi. Katalizator muvozanatni siljitmaydi — u to‘g‘ri va teskari reaksiyani bir xil tezlashtiradi, muvozanatga tezroq yetkazadi xolos.

Sanoatda: ammiak sintezi

Gaber–Bosh usuli: azot havodan, vodorod tabiiy gazdan olinadi; aralashma (N₂ : H₂ = 1 : 3) 400–500 °C va 100–300 atm da temir katalizator (K₂O, Al₂O₃ qo‘shilgan) ustidan o‘tkaziladi. Past haroratda muvozanat unumi katta, lekin reaksiya juda sekin; 450 °C — murosa: tezlik yetarli, unum esa bosim hisobiga ko‘tariladi (model: 450 °C da 100 atm — 16 %, 300 atm — 31 % NH₃). Bir o‘tishda ≈ 15 % aralashma ammiakka aylanadi; NH₃ sovitib suyultirib ajratiladi (muvozanat o‘ngga siljiydi), qolgan gaz yana kolonnaga qaytariladi — umumiy unum ≈ 97 %. O‘zbekistonda ammiakni Navoiyazot, Farg‘onaazot va Maxam-Chirchiq ishlab chiqaradi; Navoiyazotdagi yangi ammiak–karbamid majmuasi (2020) yiliga ≈ 660 ming t ammiakka mo‘ljallangan.

Laboratoriya tajribasi

1. Temir(III) tiotsianat: $FeCl_{3} + 3 KSCN \overset{}{⇌} Fe (SCN)_{3} + 3 KCl$ — qon-qizil rang. Och eritma to‘rt probirkaga bo‘linadi: 1-si — taqqoslash uchun; 2-siga FeCl₃, 3-siga KSCN qo‘shilsa — rang to‘qlashadi (boshlang‘ich modda ko‘paydi, muvozanat o‘ngga); 4-siga kristall KCl qo‘shilsa — rang ochadi. Aslida eritmada asosan $Fe^{3 +} + SCN^{-} \overset{}{⇌} [Fe (SCN)]^{2 +}$ muvozanati boradi ( $K$ ≈ 140), K⁺ va Cl⁻ reaksiyada qatnashmaydi: rang Cl⁻ ning Fe³⁺ ning bir qismini FeCl²⁺ ga bog‘lashi va ion kuchi ortishi hisobiga ochadi. 2. NO₂ ampulalari: bir xil ampulalar muzli, xona haroratidagi va issiq suvga qo‘yiladi; o‘rinlari almashtirilsa, ranglar ham almashadi — jarayon qaytar. Xavfsizlik: NO₂ zaharli — faqat kavsharlangan ampulada ishlang; issiq suv bilan ehtiyot bo‘ling; reaktivlarni tatib ko‘rmang, ko‘zoynak taqing.

Model haqida

Gazlar ideal deb olingan. Ammiak uchun $K_{p}$ Gillespi va Bitti (1930) formulasidan, unum ideal gaz mol ulushlari bilan hisoblangan — 200 atm dan yuqorida haqiqiy unum bir necha foiz yuqoriroq. NO₂ ⇌ N₂O₄ uchun $Δ H$ = −57,2 kJ, $Δ S$ = −175,8 J/K (NIST-JANAF); haqiqiy dimerlanish mikrosekundlarda boradi — simulyatsiyada vaqt juda sekinlashtirilgan. Ammiak kolonnasida muvozanatga yaqinlashish tezligi va H₂ + I₂ reaksiyasining tezlik konstantasi sxematik. Rang Ber–Lambert qonuni bilan uch rang kanali uchun hisoblangan. FeCl²⁺ hosil bo‘lish konstantasi (≈ 5) taxminiy. Molekulalar oynasi sxematik: hodisalar soni tezlik tenglamasidan olinadi.

Bilasizmi?

Fransuz kimyogari Anri Lui Le Shatelye muvozanat siljishi prinsipini 1884-yilda e’lon qilgan; 1887-yilda nemis fizigi Karl Braun uni umumlashtirgan, shuning uchun u ba’zan Le Shatelye–Braun prinsipi deb ham ataladi.
Frits Gaber ammiakni azot va vodoroddan sintez qilgani uchun 1918-yilda, Karl Bosh esa yuqori bosimli kimyoviy jarayonlarni yaratgani uchun 1931-yilda Nobel mukofotini olgan.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Reaksiya tenglamalari — 7-sinf
Yonish, alanga va oksidlar — 7-sinf
Reaksiya tezligi va katalizator — 8-sinf
Kimyo sanoati va zavodlar — 9-sinf