Реакция синтеза аммиака (по процессу Габера) можно описать уравнением:

[ N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g) ]

Для анализа влияния температуры и давления на равновесие этой реакции, обратимся к термодинамическим принципам, включая закон Ле-Шателье и уравнение Гиббса.

Влияние температуры

Уравнение Гиббса для реакции можно записать как:

[
\Delta G = \Delta H - T \Delta S
]

где:

(\Delta G) — изменение свободной энергии Гиббса,(\Delta H) — изменение энтальпии,(T) — абсолютная температура,(\Delta S) — изменение энтропии.

Для реакции синтеза аммиака (\Delta H) отрицательное, так как идет образование более сложной молекулы из более простых газов. Величина (\Delta S) также отрицательна, потому что при образовании двух молекул аммиака из четырех молекул газа (одной молекулы (N_2) и трех молекул (H_2)) уменьшается количество молекул газа, что ведет к снижению беспорядка.

Согласно уравнению Гиббса, при увеличении температуры ((T)) значение (-T \Delta S) становится меньше, и может стать положительным, что приводит к увеличению (\Delta G). Это означает, что с повышением температуры равновесие сдвигается в сторону более углубленной реакции (правую сторону — продукция аммиака).

Вывод: При повышении температуры равновесие смещается в сторону продуктов (аммиак). При понижении температуры равновесие смещается в сторону исходных веществ (азот и водород), что делает процесс менее эффективным для синтеза аммиака при высоких температурах.

Влияние давления

С точки зрения закона Ле-Шателье, если в системе увеличивается давление, равновесие будет смещаться в сторону реакции, в которой количество газов меньше. В данной реакции исходные вещества (1 молекула (N_2) и 3 молекулы (H_2)) составляют 4 молекулы, а продукты (2 молекулы (NH_3)) — 2 молекулы. Поскольку при повышении давления равновесие смещается в сторону меньшего объема газа, это смещение будет происходить в сторону синтеза аммиака.

Вывод: Увеличение давления приводит к смещению равновесия в сторону образования аммиака.

Заключение

Таким образом, при анализе реакции синтеза аммиака:

Температура: увеличение температуры смещает равновесие в сторону продуктов (аммиака), в то время как понижение температуры приводит к увеличению количества исходных веществ.Давление: увеличение давления смещает равновесие в сторону продуктов, поскольку их меньший объем уменьшает общее количество молекул газа в системе.

Этот анализ позволяет понять, что при промышленных условиях для синтеза аммиака обычно выбирают высокое давление и умеренные температуры, чтобы достичь максимального выхода продуктов.