Ứng dụng cân bằng hóa học trong sản xuất: tổng hợp ammonia, sản xuất sulfuric acid và bài tập có đáp án

Ứng dụng cân bằng hóa học trong sản xuất giúp chọn điều kiện nhiệt độ, áp suất, xúc tác cho tổng hợp ammonia (Haber), sản xuất sulfuric acid (contact), nung vôi. Giải thích điều kiện thỏa hiệp giữa hiệu suất và tốc độ, ví dụ và bài tập có đáp án.

Cân bằng hóa học trong sản xuất là gì?

Cân bằng hóa học trong sản xuất là cơ sở để chọn điều kiện tối ưu cho các quá trình thuận nghịch trong công nghiệp. Mục tiêu là đạt hiệu suất chuyển hóa cao, tốc độ phản ứng đủ nhanh và chi phí hợp lí, nên điều kiện thực tế thường là sự thỏa hiệp giữa nhiều yếu tố.

Tổng hợp ammonia (quy trình Haber)

$$\ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)} \quad \Delta_rH = -92\ \text{kJ}$$

Yếu tố	Xét về cân bằng	Điều kiện thực tế
Áp suất	Cao thì dịch thuận (ít mol khí hơn)	$150$ đến $300$ bar
Nhiệt độ	Thấp thì dịch thuận, nhưng tốc độ chậm	$400$ đến $500\ ^\circ\text{C}$ (thỏa hiệp)
Xúc tác	Không dịch cân bằng, tăng tốc độ	Fe có thêm chất xúc tiến
Tách sản phẩm	Lấy $\ce{NH3}$ ra thì dịch thuận	Làm lạnh hóa lỏng $\ce{NH3}$, tuần hoàn $\ce{N2}$, $\ce{H2}$

Sản xuất sulfuric acid (công đoạn tạo SO3)

$$\ce{2SO2(g) + O2(g) <=> 2SO3(g)} \quad \Delta_rH < 0$$

Nhiệt độ khoảng $450\ ^\circ\text{C}$ với xúc tác $\ce{V2O5}$.
Áp suất gần $1$ atm vì hiệu suất đã rất cao (trên $95\%$), không cần tốn kém nén khí.
Dùng dư $\ce{O2}$ (không khí) để dịch cân bằng theo chiều thuận.

Ví dụ 1

Vì sao tổng hợp $\ce{NH3}$ không dùng nhiệt độ rất thấp dù phản ứng tỏa nhiệt?

Nhiệt độ thấp làm tốc độ phản ứng quá chậm nên không kinh tế; chọn $400$–$500\ ^\circ\text{C}$ và xúc tác Fe để cân bằng giữa tốc độ và hiệu suất.

Ví dụ 2

Vì sao liên tục tách $\ce{NH3}$ ra khỏi hỗn hợp?

Giảm nồng độ sản phẩm làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tăng hiệu suất.

Xem bài: Nguyên lí Le Chatelier

Nung vôi

$\ce{CaCO3(s) <=> CaO(s) + CO2(g)}$ là phản ứng thu nhiệt. Lò nung duy trì nhiệt độ khoảng $900\ ^\circ\text{C}$ và thổi không khí để đưa $\ce{CO2}$ ra ngoài, giữ cho cân bằng liên tục chuyển dịch theo chiều thuận.

Những lỗi thường gặp

Bài tập thực hành

Nêu điều kiện tổng hợp $\ce{NH3}$ trong công nghiệp.
Giải thích vì sao áp suất cao có lợi cho tổng hợp $\ce{NH3}$.
Vì sao sản xuất $\ce{SO3}$ chỉ cần áp suất khoảng $1$ atm?
Biện pháp nào làm tăng hiệu suất nung vôi?
Vai trò của xúc tác $\ce{V2O5}$ là gì?

Đáp án

$400$–$500\ ^\circ\text{C}$, $150$–$300$ bar, xúc tác Fe, tách $\ce{NH3}$ liên tục.
Phản ứng thuận làm giảm số mol khí ($4 \to 2$) nên tăng áp suất dịch về phía tạo $\ce{NH3}$.
Vì hiệu suất đã rất cao ở $1$ atm, nén khí thêm tốn kém mà lợi ích nhỏ.
Tăng nhiệt độ và liên tục thổi khí để đưa $\ce{CO2}$ ra.
Tăng tốc độ phản ứng chuyển $\ce{SO2}$ thành $\ce{SO3}$.