KWALIFIKACJA CHM6 - PAŹDZIERNIK 2016

PYTANIE NR 12.
Katalityczna konwersja tlenku węgla z parą wodną przebiega zgodnie z reakcją przedstawioną równaniem W jakich warunkach należy prowadzić proces, aby uzyskać przesunięcie stanu równowagi reakcji w kierunku produktów?
Ilustracja przedstawia równanie reakcji chemicznej katalitycznej konwersji tlenku węgla z parą wodną.
A.
B.
C.
D.
Wyjaśnienie poprawnej odpowiedzi:
Reakcja konwersji CO z parą wodną (CO + H2O ⇌ CO2 + H2) jest egzotermiczna, więc obniżenie temperatury przesuwa równowagę w stronę produktów. Zmiana ciśnienia zwykle nie przesuwa równowagi, bo liczba moli gazu po obu stronach jest taka sama.

Pełne wyjaśnienie:

W konwersji tlenku węgla z parą wodną zachodzi reakcja przesunięcia wodnego: CO + H2O ⇌ CO2 + H2. Aby uzyskać przesunięcie stanu równowagi w kierunku produktów (CO2 i H2), trzeba ocenić wpływ parametrów na położenie równowagi, zgodnie z zasadą Le Chateliera.

Temperatura: reakcja ta jest egzotermiczna (wydziela ciepło). W ujęciu równowagi termodynamicznej "ciepło" można traktować jak produkt. Dlatego obniżenie temperatury sprzyja tworzeniu produktów, a podwyższenie temperatury sprzyja przesunięciu w stronę substratów (CO i H2O). W praktyce przemysłowej często stosuje się kompromis: wyższa temperatura zwiększa szybkość reakcji, ale pogarsza równowagową zawartość H2/CO2, dlatego używa się stopni HTS/LTS i katalizatorów.

Ciśnienie: dla reakcji gazowej wpływ ciśnienia na równowagę zależy od zmiany liczby moli gazu (Δn). Tutaj po lewej stronie są 2 mole gazu (CO i H2O), a po prawej też 2 mole (CO2 i H2). Skoro liczba moli gazu się nie zmienia, to zwiększanie ani zmniejszanie ciśnienia nie daje typowego przesunięcia równowagi na jedną stronę (w przybliżeniu brak efektu). Ciśnienie może natomiast wpływać na aspekty procesowe, np. gęstość mieszaniny czy pracę sprężania, ale nie jest to główny "lewar" do przesuwania równowagi tej reakcji.

Podsumowując, aby przesunąć równowagę w stronę produktów, należy prowadzić proces w możliwie niskiej temperaturze (przy zachowaniu wymagań kinetycznych i aktywności katalizatora). Pozostałe wskazane warunki dotyczące ciśnienia nie stanowią skutecznego sposobu przesuwania równowagi dla tej stechiometrii.

Dodatkowe pytania

Dodatkowe pytania (FAQ):
To reakcja: CO + H2O ⇌ CO2 + H2, w której tlenek węgla reaguje z parą wodną, tworząc dwutlenek węgla i wodór. Jest kluczowa w technologiach wytwarzania H2 i w "doskonaleniu" gazu syntezowego przez zmniejszenie zawartości CO.
Reakcja jest egzotermiczna, czyli wydziela ciepło. Zgodnie z zasadą Le Chateliera obniżenie temperatury "odbiera" układowi ciepło, więc układ przesuwa równowagę w stronę, która to ciepło wytwarza, czyli w stronę CO2 i H2.
Nie w sensie równowagi. Wyższa temperatura zwykle zmniejsza równowagowe przesunięcie w stronę produktów dla reakcji egzotermicznej. Może jednak zwiększać szybkość reakcji, więc przemysłowo często stosuje się kompromis między kinetyką a korzystnym położeniem równowagi.
Zwykle nie. Po obu stronach równania są 2 mole gazu (2 → 2), więc zmiana ciśnienia nie daje typowego przesunięcia równowagi w stronę mniejszej liczby moli. Ciśnienie może mieć znaczenie procesowe, ale nie jest głównym czynnikiem przesuwającym równowagę.
Kinetyka mówi, jak szybko reakcja zachodzi (często szybciej w wyższej temperaturze). Równowaga mówi, jaki będzie skład mieszaniny po dostatecznie długim czasie. W tej reakcji wyższa temperatura pomaga szybkości, ale pogarsza przesunięcie równowagi w stronę produktów.
W praktyce stosuje się zwykle konwersję wysokotemperaturową (HTS) i niskotemperaturową (LTS). HTS daje dobrą szybkość reakcji, a LTS pozwala "dociągnąć" równowagę w stronę produktów dzięki niższej temperaturze. Dokładne parametry zależą od katalizatora i instalacji.
Bo wiele osób pamięta regułę: "wyższe ciśnienie sprzyja mniejszej liczbie moli gazu", ale zapomina sprawdzić stechiometrię. Dla tej reakcji liczba moli gazu nie zmienia się, więc intuicyjne wybieranie "większego" lub "mniejszego" ciśnienia prowadzi do błędu.
Egzotermiczna znaczy, że w kierunku produktów wydziela się ciepło. W równowadze można to interpretować tak, jakby "ciepło" było po stronie produktów. Dlatego obniżenie temperatury faworyzuje produkty, a podwyższenie temperatury faworyzuje substraty.
Gdy ograniczeniem jest szybkość procesu, aktywność katalizatora lub wymagania technologiczne (np. stabilność układu, unikanie kondensacji). Wtedy podnosi się temperaturę, aby reakcja zaszła szybciej, a skład dopracowuje się w kolejnych stopniach lub etapach oczyszczania.
Policz liczbę moli gazu po obu stronach równania i wyznacz znak zmiany: Δn = n(gazy, produkty) − n(gazy, substraty). Jeśli Δn = 0, to zmiana ciśnienia nie przesuwa równowagi w typowy sposób. Jeśli Δn ≠ 0, ciśnienie faworyzuje stronę z mniejszym n.
info

To pytanie poprawnie rozwiązuje 50% zdających egzamin. trudne

Eksperci podkreślają: "Reakcja konwersji CO z parą wodną (CO + H2O ⇌ CO2 + H2) jest egzotermiczna, więc obniżenie temperatury przesuwa równowagę w stronę produktów."

Źródła:

  • Atkins' Physical Chemistry, 11th Edition, rozdziały: Chemical Equilibrium oraz Temperature Dependence of Equilibrium Constants (van ’t Hoff equation), Oxford University Press
  • Perry's Chemical Engineers' Handbook, 9th Edition, dział dotyczący hydrogen production / synthesis gas / water-gas shift reaction, McGraw-Hill Education
  • Levenspiel O., Chemical Reaction Engineering, 3rd Edition, fragmenty dot. reakcji równowagowych i wpływu temperatury na stałą równowagi, Wiley

Materiały:

  • Podręcznik chemii fizycznej (dział: równowaga chemiczna, równanie van ’t Hoffa)
  • Podręcznik technologii chemicznej nieorganicznej (dział: wodór, gaz syntezowy, konwersja CO)
  • Zbiór zadań z równowagi chemicznej (ćwiczenia: wpływ T i p na równowagę)

Aktualizacja pytania: 31.03.2026



Aktualizacja pytania: 31.03.2026
📡 Brak połączenia internetowego