จะคำนวณอุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรจิเนชันได้อย่างไร

เฮ้! ในฐานะซัพพลายเออร์ของเครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรเจนฉันมักถูกถามเกี่ยวกับวิธีการคำนวณอุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรจิเนชัน เป็นสิ่งสำคัญสำหรับทุกคนที่ต้องการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเติมไฮโดรเจน ดังนั้น ฉันจึงมาที่นี่เพื่อแจกแจงรายละเอียดให้คุณด้วยวิธีที่ง่ายและเข้าใจง่าย

ทำความเข้าใจพื้นฐานของปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน

ก่อนอื่น เรามาดูกันก่อนว่าปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันคืออะไร โดยสรุป ไฮโดรจิเนชันเป็นปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างโมเลกุลไฮโดรเจน (H₂) และสารประกอบหรือองค์ประกอบอื่น โดยปกติเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น นิกเกิล พาลาเดียม หรือแพลตตินัม ปฏิกิริยานี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอาหารเพื่อเปลี่ยนไขมันไม่อิ่มตัวเป็นไขมันอิ่มตัว ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีเพื่อกำจัดสารประกอบกำมะถันและไนโตรเจนออกจากเชื้อเพลิง และในการใช้งานทางอุตสาหกรรมอื่นๆ อีกมากมาย

สมการทั่วไปของปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันสามารถเขียนได้เป็น:
[A + H_{2}\ลูกศรขวา B]
โดยที่ (A) คือสารประกอบไม่อิ่มตัวและ (B) คือผลคูณอิ่มตัว

เหตุใดจึงต้องคำนวณอุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยา

การคำนวณอุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรจิเนชันมีความสำคัญอย่างยิ่ง ช่วยให้เราเข้าใจว่าปฏิกิริยาเป็นไปได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการหรือไม่ ปริมาณความร้อนที่ถูกปล่อยออกมาหรือดูดซับระหว่างปฏิกิริยา (ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการควบคุมอุณหภูมิ) และตำแหน่งสมดุลของปฏิกิริยาคือเท่าใด ปัจจัยทั้งหมดนี้มีบทบาทอย่างมากในการออกแบบและใช้งานเครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรจิเนชันอย่างมีประสิทธิภาพ

พารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ที่สำคัญ

การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี ((\Delta H))

การเปลี่ยนแปลงเอนทัลปี (\Delta H) บอกเราว่าปฏิกิริยาเป็นแบบคายความร้อน (ปล่อยความร้อน) หรือดูดความร้อน (ดูดซับความร้อน) สำหรับปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน ส่วนใหญ่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ซึ่งหมายความว่าจะปล่อยความร้อนออกมา สูตรในการคำนวณ (\Delta H) คือ:
[\Delta H=\sum H_{products}-\sum H_{reactants}]
เราสามารถค้นหาเอนทาลปีมาตรฐานของการก่อตัว ((H_f^0)) สำหรับสารประกอบต่างๆ ได้ในตารางทางอุณหพลศาสตร์ ตัวอย่างเช่น หากเรามีปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันอย่างง่ายของเอเทน ((C_2H_4)) กับอีเทน ((C_2H_6)):
[C_{2}H_{4}(g)+H_{2}(g)\ลูกศรขวา C_{2}H_{6}(g)]
เราค้นหาเอนทาลปีมาตรฐานของการก่อตัวของ (C_2H_4), (H_2) และ (C_2H_6) ในตาราง เอนทัลปีมาตรฐานของการก่อตัวของธาตุ (H_2) คือ (0) kJ/mol (ตามคำนิยาม เอนทัลปีมาตรฐานของการก่อตัวของธาตุในรูปแบบที่เสถียรที่สุดในสภาวะมาตรฐานคือ (0)) สมมติว่า (H_f^0(C_2H_4) = 52.4) kJ/mol และ (H_f^0(C_2H_6)= - 84.7) kJ/mol
[\เดลต้า H = H_f^0(C_2H_6)-[H_f^0(C_2H_4)+H_f^0(H_2)]=-84.7-(52.4 + 0)=-137.1] กิโลจูล/โมล
ค่าลบของ (\Delta H) บ่งชี้ว่าปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน

การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี ((\Delta S))

เอนโทรปี (S) คือการวัดความผิดปกติหรือการสุ่มของระบบ การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี (\Delta S) สำหรับปฏิกิริยาคำนวณได้ดังนี้:
[\Delta S=\sum S_{products}-\sum S_{reactants}]
ในปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน จำนวนโมลของก๊าซมักจะลดลง (เนื่องจากเราเติมไฮโดรเจนลงในสารประกอบที่ไม่อิ่มตัว) ซึ่งโดยทั่วไปจะทำให้เอนโทรปีลดลง ตัวอย่างเช่น ในปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันของเอเธน-อีเทน สารตั้งต้นจะมี (2) โมลของก๊าซ ((1) โมลของ (C_2H_4) และ (1) โมลของ (H_2)) ในขณะที่ผลิตภัณฑ์มีเพียง (1) โมลของก๊าซ ((C_2H_6)) ดังนั้น (\Delta S) จึงเป็นลบสำหรับปฏิกิริยานี้

การเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระของกิ๊บส์ ((\Delta G))

การเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระของกิ๊บส์ (\Delta G) เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในการกำหนดความเป็นธรรมชาติของปฏิกิริยา สูตรสำหรับ (\Delta G) คือ:
[\เดลต้า G=\เดลต้า เอช - ที\เดลต้า เอส]
โดยที่ (T) คืออุณหภูมิในหน่วยเคลวิน ถ้า (\Delta G<0) ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเอง ถ้า (\Delta G = 0) ปฏิกิริยาจะอยู่ที่สมดุล และถ้า (\Delta G>0) ปฏิกิริยาจะไม่เกิดขึ้นเอง

ลองใช้ปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันของเอเธน-อีเทนอีกครั้ง สมมติว่าอุณหภูมิ (T = 298) K, (\Delta H=-137.1) kJ/mol และ (\Delta S=-120) J/(mol·K) (หลังจากคำนวณจากค่าเอนโทรปี) ก่อนอื่น เราต้องแปลง (\Delta S) เป็น kJ/(mol·K) ดังนั้น (\Delta S=-0.12) kJ/(mol·K)
[\เดลต้า G=-137.1-(298\ครั้ง(- 0.12))=-137.1 + 35.76=-101.34] กิโลจูล/โมล
เนื่องจาก (\Delta G<0) ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเองที่ (298) K

ปัจจัยที่ส่งผลต่ออุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์เติมไฮโดรเจน

อุณหภูมิ

อุณหภูมิมีผลกระทบอย่างมากต่ออุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยา ดังที่เราเห็นในสมการ (\Delta G=\Delta H - T\Delta S) การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสามารถเปลี่ยนค่าของ (\Delta G) สำหรับปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันแบบคายความร้อน ((\Delta H<0) และ (\Delta S<0)) การเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้ (\Delta G) เป็นลบน้อยลง (เกิดขึ้นเองน้อยลง) ในทางกลับกัน สำหรับปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันแบบดูดความร้อน ((\Delta H>0) และ (\Delta S>0)) การเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้ (\Delta G) เป็นลบมากขึ้น (เกิดขึ้นเองมากขึ้น)

ความดัน

ความดันยังส่งผลต่ออุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยา โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับก๊าซ ตามหลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์ การเพิ่มความดันจะเปลี่ยนสมดุลไปทางด้านที่มีโมลก๊าซน้อยลง ในปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันส่วนใหญ่ เนื่องจากจำนวนโมลของก๊าซลดลงในระหว่างการทำปฏิกิริยา ความดันที่เพิ่มขึ้นจะเอื้อต่อการก่อตัวของผลิตภัณฑ์

ตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่เปลี่ยนอุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยา มันไม่ส่งผลกระทบ (\Delta H), (\Delta S) หรือ (\Delta G) อย่างไรก็ตาม มันเร่งปฏิกิริยาโดยให้ทางเลือกในการเกิดปฏิกิริยาด้วยพลังงานกระตุ้นที่ต่ำกว่า ซึ่งจะทำให้ปฏิกิริยาเข้าสู่สมดุลเร็วขึ้น

การใช้ซอฟต์แวร์สำหรับการคำนวณทางอุณหพลศาสตร์

ในสถานการณ์จริง การคำนวณอุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยาด้วยมืออาจใช้เวลานานและมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับปฏิกิริยาที่ซับซ้อน นั่นคือจุดที่ซอฟต์แวร์มีประโยชน์ มีซอฟต์แวร์มากมายที่สามารถคำนวณพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันได้อย่างแม่นยำ ซอฟต์แวร์เหล่านี้ใช้ฐานข้อมูลคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์และอัลกอริธึมขั้นสูงเพื่อทำการคำนวณ

เครื่องปฏิกรณ์อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง

หากคุณสนใจเครื่องปฏิกรณ์ประเภทอื่น เราก็จัดหาให้เครื่องปฏิกรณ์โพลีเมอไรเซชันและเครื่องปฏิกรณ์แบบการตกผลึกแบบกวน- เครื่องปฏิกรณ์แบบโพลีเมอไรเซชันใช้สำหรับการสังเคราะห์โพลีเมอร์ และเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนแบบตกผลึกใช้สำหรับกระบวนการตกผลึก เครื่องปฏิกรณ์แต่ละประเภทมีข้อพิจารณาทางอุณหพลศาสตร์เฉพาะของตัวเอง แต่หลักการพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ยังคงเหมือนเดิม

บทสรุปและการเรียกร้องให้ดำเนินการ

การคำนวณอุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์เติมไฮโดรเจนเป็นขั้นตอนพื้นฐานในการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเติมไฮโดรเจน ด้วยการทำความเข้าใจการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี และการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระของกิ๊บส์ และการพิจารณาปัจจัยที่ส่งผลกระทบต่อสิ่งเหล่านี้ คุณสามารถออกแบบและใช้งานเครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรจิเนชันได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

หากคุณอยู่ในตลาดเครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรจิเนชันคุณภาพสูง หรือมีคำถามใดๆ เกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยา โปรดติดต่อเราได้เลย เราพร้อมให้ความช่วยเหลือคุณให้เกิดประโยชน์สูงสุดจากกระบวนการเติมไฮโดรเจน

อ้างอิง

• แอตกินส์, พี. และเดอพอลลา, เจ. (2014) เคมีเชิงฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์ชีวภาพ สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด.
• Smith, JM, Van Ness, HC และ Abbott, MM (2005) ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์วิศวกรรมเคมี แมคกรอว์ - ฮิลล์