Verduidelik die industriële vervaardiging van ammoniak (Haber-proses) en swaelsuur (Kontakproses), en evalueer die toestande wat gebruik word in terme van opbrengs en tempo.
Die Haber-proses (ontwikkel deur Fritz Haber en Carl Bosch, vroeg in die 1900's) is een van die belangrikste industriële reaksies — dit maak grootskaalse sintese van ammoniak vir kunsmis moontlik, wat ongeveer die helfte van die wêreld se bevolking voed.
| Toestand | Waarde gebruik | Le Chatelier-regverdiging | Kompromie |
|---|---|---|---|
| Temperatuur | ~450°C | Reaksie is eksotermies (ΔH < 0): laer T bevoordeel produk (verskuif regs), wat 'n hoër K en opbrengs gee | Te lae T → tempo te stadig. 450°C is die kompromie wat 'n aanvaarbare tempo met katalisator gee |
| Druk | 150–200 atm | Linkerkant: 4 mol gas (1+3); regterkant: 2 mol gas. Hoë P verskuif die ewewig REGS (minder mol), wat opbrengs verhoog | Baie hoë P is duur (sterk houers) en gevaarlik. 200 atm is die ekonomiese optimum |
| Katalisator | Yster (Fe) met K2O- en Al2O3-promotors | Verskuif NIE die ewewig nie; verander NIE Kc nie | Laat die ewewig vinniger bereik word by 'n laer temperatuur. Sonder dit sou 450°C te stadig wees |
| Ongereageerde gasse | Herwin terug na die reaktor | Verhoog effektief die reagenskonsentrasie, wat die ewewig regs verskuif (Le Chatelier) | Verbeter die algehele opbrengs al is die enkeldeurgang-omsetting slegs ~15–25% |
Swaelsuur is die wêreld se mees geproduseerde industriële chemikalie. Die Kontakproses vervaardig dit in drie hoofstappe:
Stap 1 — Verbranding van swael (of die roostering van sulfiedertse soos FeS2):
Stap 2 — Oksidasie van SO2 na SO3 (die ewewigstap — kompromie tussen tempo en opbrengs):
| Toestand | Waarde | Regverdiging |
|---|---|---|
| Temperatuur | ~450°C | Dieselfde kompromie as by Haber: eksotermiese reaksie, laer T gee beter opbrengs maar stadiger tempo; 450°C met katalisator is optimaal |
| Druk | 1–2 atm (naby atmosferies) | 3 mol gas → 2 mol gas: hoë P sou SO3 bevoordeel, maar opbrengs by 450°C is reeds ~98%, dus is die ekstra koste van hoë P nie geregverdig nie |
| Katalisator | V2O5 (vanadium(V)-oksied) | Verhoog tempo; laat reaksie by laer temperatuur toe; V2O5 word geregenereer ('n ware katalisator) |
Stap 3 — Absorpsie van SO3 (NIE direk in water nie):
Albei prosesse weerspieël pogings om industriële doeltreffendheid met omgewingsverantwoordelikheid te balanseer:
Atoomekonomie meet hoe doeltreffend atome in reagense omgeskakel word na gewenste produk(te):
Voorbeeld — Haber-proses: N2 + 3H2 → 2NH3. Die enigste produk is NH3.
Die Haber-proses het 100% atoomekonomie — alle atome in die reagense beland in die gewenste produk. Dit maak dit ideaal vanuit 'n groen-chemie-oogpunt, ondanks die energiekoste.
Persentasie-opbrengs vergelyk werklike opbrengs met teoretiese opbrengs:
Voorbeeld: As 15,0 g NH3 geproduseer word terwyl die teoretiese opbrengs 34,0 g was: % opbrengs = (15,0/34,0) × 100% = 44,1%.
Let wel: Die Haber-proses het 100% atoomekonomie maar slegs ~15–25% opbrengs per deurgang (weens ewewigsbeperkings). Herwinning van ongereageerde gasse verhoog die algehele opbrengs tot ~97%. Beide hoë atoomekonomie en hoë opbrengs is wenslik.
| Temperatuur (°C) | 350 | 400 | 450 | 500 | 550 |
|---|---|---|---|---|---|
| NH3-opbrengs (%) | 37 | 25 | 16 | 10 | 6.0 |
| Relatiewe tempo (a.e.) | 1 | 4 | 10 | 22 | 45 |