핵심 개념
이 기사에서는 동역학, 열역학 및 메커니즘뿐만 아니라 Haber 프로세스와 그 중요성에 대해 배울 것입니다.
Haber 프로세스는 무엇입니까?
하버 과정은 질소와 수소 가스를 반응하여 암모니아를 생성하는 산업 방법입니다. 화학적으로, 이것은 2 몰의 암모니아 당 1 몰의 규정 성 질소와 3 몰의 규정형 수소를 포함한다.
.하버 프로세스 방정식 :n < 2 + 3H 2 → 2nh 3
많은 화학자들은 하버 과정을“질소 고정”의 형태라고 부릅니다. 이는 질소 가스를보다 화학적으로 유용한 형태로 전환하는 것을 의미합니다. 본질적으로, diazotrophs라는 미생물은 질소 고정을 수행하여 생태 시스템을 통해 질소를 순환하는 데 도움이됩니다. 물론 질소는 생물학적 수명의 기본 요소 중 하나 역할을하며 단백질과 핵산의 중요한 부분을 형성합니다.
암모니아 형태의 질소는 또한 연구 및 산업 응용 분야에서 중요합니다. 그러나, 가장 풍부한 대기 가스 역할을하는 규조적 질소에도 불구하고, 반응성 부족으로 인해 화학자들이 활용하기가 어려웠다.
1909 년 독일 화학자 인 Fritz Haber는 대기 질소와 수소로부터 암모니아를 합성하는 것을 보여 주었을 때 과학 역사를 만들었습니다. 1911 년 후반,이 방법은 또 다른 독일 화학자 칼 보쉬 (Carl Bosch)에 의해 크게 개선되어 산업에 더 효율적으로 반응했다. 결과적으로 오늘날 수행 할 때 많은 사람들 이이 방법을 Haber-Bosch 프로세스라고합니다.
Haber와 Bosch의 작업으로 인해 암모니아는 이제 비료, 폭발물, 냉장 기술 및 제약과 같은 다양한 중요한 목적을 위해 쉽게 합성 될 수 있습니다.
그러나 정확히 하버 프로세스를 그렇게 효율적으로 만드는 것은 무엇입니까? 반응의 물리 화학을 자세히 살펴 보겠습니다.
Haber Process의 동역학
질소 가스가 너무 불활성이라면 Fritz Haber는 어떻게 반응하도록 관리 했습니까? 질소의 반응성을 극복하기 위해, Haber 과정에는 두 가지 중요한 요소가 포함됩니다. 첫 번째 요인은 효과적인 촉매입니다.
전이 금속은 거의 항상 하버 과정을 촉진시키는 데 사용됩니다. 대부분의 경우 산업용 화학자들은 산화철 (Fe 3 인 자그 타이트를 사용합니다. o 4 ), 수산화 칼륨의 양 (KOH). 다른 일반적인 촉매로는 크롬 및 오스 미듐 산화물이 포함됩니다.
기계적으로, 촉매는 질소 가스에 결합해야한다. 이것은 질소가 완전히 포화 될 때까지 질소 결합을 가로 질러 수소를 추가하여 암모니아를 생성 할 수있게한다. 촉매의 이러한 중요한 결합이 없다면, 질소는 불활성과 반응성으로 남아 있으며, 사실상 암모니아가 발생하지 않습니다.
질소가 반응하는 두 번째 요인은 압력과 관련이 있습니다. 구체적으로, 더 높은 압력은 더 많은 분자 충돌을 나타내며, 이는 반응 속도를 증가시킨다. 결과적으로 산업은 가능한 최고 압력으로 하버 과정을 수행하는 경향이 있으며, 종종 200 대기보다 높습니다.
Haber Process의 열역학
촉매의 유무에 관계없이, 암모니아를 생성하는 반응은 자발적이다 (∆G <0). 이것은 물리 화학의 근본적인 측면 때문입니다. 반응의 동역학과 열역학은 종종 서로 독립적으로 남아 있습니다. 비록 우리는 매우 발전 적으로 선호되는 반응이 하나의 호의보다 빨리 발생한다고 직관 할 수 있지만, 예외가 존재합니다. Haber 프로세스는 그러한 예외 중 하나가됩니다. 유리한 열역학에 대한 반응이지만 믿을 수 없을 정도로 느린 동역학.
자발성 외에도, 우리는 또한 반응이 엔트로피에서 음의 변화가 있음을 관찰 할 수있다 (∆S <0). 구체적으로, 우리는 2 몰의 생성물 가스를 생성하는 4 몰의 반응물 가스를 본다.
n 2 + 3H 2 → 2nh 3
가스의 두부 감소는 우리의 시스템이 가능한 마이크로 스테이트가 적어 엔트로피가 감소 함을 나타냅니다. 우리는 또한 가스 분자가 적은 수치가 더 많은“장애”를 의미한다고 말함으로써 부정적인 변화를 정당화 할 수 있습니다.
엔트로피가 감소 함에도 불구하고 우리의 반응이 자발적이기 때문에, 우리의 반응은 엔탈피가 감소해야합니다. 이것은 실제로 그렇습니다 :Haber 과정은 발열입니다 (∆H <0). 깁스 자유 에너지의 정의에 따르면 온도가 감소함에 따라 자발성이 증가해야합니다. 다르게, 온도가 감소하면 ∆S가 덜 중요하게 만들어 ∆G가 더 부정적으로 만듭니다.
∆G =∆H - T∆S
(이 방정식에서 t 반응이 발생하는 온도를 나타냅니다)
이것은 다음 섹션에서 관찰하는 것처럼 Haber 프로세스를 수행하는 이상적인 온도에 중요한 영향을 미칩니다.
Haber 공정의 평형 특성
우리가 방금 다루 었듯이, Haber 공정은 발열 성이며 낮은 온도에서 자발성을 증가시킵니다. 이 정보를 통해 화학자들은 온도를 낮추어 반응의 수율을 높일 수 있습니다. 이 현상에 대한 설명에는 화학적 평형의 원리가 포함됩니다.
발열로 인해 열이 반응의 "제품"역할을한다고 말할 수 있습니다. L 'Chatelier의 원칙에 따르면, 우리는 시스템에 스트레스를 낼 수 있도록 반응 혼합물의 평형을 이동할 수 있습니다. 그런 다음 반응은 스트레스에 대항하기 위해 방향으로 반응합니다. 혼합물을 냉각시킴으로써 우리는 열을“제거”하고 시스템은 더 많은 제품을 생산 함으로써이 응력에 대응한다. 따라서 우리는 낮은 온도에서 더 많은 암모니아를 얻습니다.
그러나 온도를 너무 많이 줄이면 분자가 빠르게 움직이지 않기 때문에 반응의 동역학이 감소합니다. 타협하기 위해 산업 화학자는 일반적으로 450-500 ° C에서 하버 공정의 반응 온도를 설정했습니다.
전체 하버 프로세스
우리는 물리 화학을 알았으므로 전체 과정을 살펴 보겠습니다.
당신이 알아 차릴 수있는 한 가지는 dihydrogen 가스가 시스템에 직접 입력되지 않았다는 것입니다. 대신, 메탄 (1)과 물 (2)은 반응하여 시스템 내에서 수소를 생산합니다 (3). 나중에, 산소와 질소 가스는 시스템으로 들어가 (4) 메탄으로부터 수소를 더욱 생성한다 (5). 두 반응 모두에서, 일산화탄소는 부산물로서 형성된다.
추가 수증기는 시스템으로 들어가 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시킨다 (6). 이 이산화탄소는 (8) 퇴근하여 질소와 수소 가스의 혼합물을 생성합니다.
이 가스 혼합물은 200ATM (7) 이상으로 압축되고 ~ 500 ° C (9)로 예열됩니다. 이어서, 가열 된 및 가압 혼합물은 전이 금속 촉매 (10)와 함께 반응 챔버로 들어갑니다. 일정량의 암모니아가 생성되며, 이는 반응 혼합물 위로 냉수 재킷을 실행하여 증류됩니다 (11). 이것은 암모니아 가스를 액체에 응축시켜 시스템에서 벗어난 (13).
중요하게도, 첫 번째 실행에서는 질소와 수소의 약 15%만이 반응했을 것입니다. 반응되지 않은 가스는 액체 암모니아 (12)로부터 분리되어 반응 챔버로 다시 들어갑니다. 결국, 원래 가스 혼합물의 약 98%가 충분한 실행 후 암모니아를 형성하기 위해 반응합니다.
