Bài 2 trang 38 SGK Hoá 11 Cánh diều: Ứng Dụng Nguyên Lý Le Chatelier

Bài 2 trang 38 Hóa 11 Cánh Diều

Đề bài:

Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng tổng hợp ammonia từ nitrogen và hydrogen có giá trị âm nhưng vì sao quá trình Haber lại chọn nhiệt độ phản ứng khá cao, vào khoảng 400^oC – 600^oC?

Hướng dẫn giải

Phân tích đề bài: Phản ứng tổng hợp ammonia là một phản ứng thuận nghịch:

N₂(g)  +  3H₂(g)  2NH₃(g)     Δ_rH⁰₂₉₈ = –91,8kJ

• Tác động của nhiệt độ lên cân bằng: Vì ΔrH⁰₂₉₈ ​= –91,8 kJ$<0$, đây là phản ứng tỏa nhiệt theo chiều thuận. Theo nguyên lý Le Chatelier, khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thu nhiệt (chiều nghịch) để chống lại sự tăng nhiệt độ đó. Điều này làm giảm hiệu suất tổng hợp ammonia. Do đó, về mặt cân bằng, ta nên thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp để đạt hiệu suất cao.

• Tác động của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng: Tuy nhiên, khi thực hiện phản ứng ở nhiệt độ quá thấp, tốc độ của phản ứng thuận và phản ứng nghịch đều nhỏ. Mặc dù cân bằng có thể đạt hiệu suất cao, nhưng thời gian để đạt được cân bằng lại rất lâu, khiến quá trình sản xuất không hiệu quả về mặt kinh tế.

• Lý do chọn nhiệt độ cao: Quá trình Haber là một ứng dụng công nghiệp, đòi hỏi phải tối ưu cả về hiệu suất và tốc độ phản ứng. Do đó, người ta phải tìm một nhiệt độ cân bằng giữa hai yếu tố này. Nhiệt độ từ 400∘C−600∘C được chọn là nhiệt độ tối ưu. Mặc dù nhiệt độ này làm giảm hiệu suất cân bằng một chút, nhưng nó làm tăng tốc độ phản ứng đáng kể, giúp quá trình tổng hợp diễn ra nhanh chóng và mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất.