📚 கற்றல் முதன்மை க.பொ.த. (சா/த) க.பொ.த. (உ/த) பிற 🌐 English உள்நுழைய
பாடங்கள்/Lessons · அலகு 12/Unit 12 · தொழில் பயன்பாடு

சமநிலையின் தொழில் பயன்பாடு

அறிமுகம் — ஏன் ஒரு சமரசம் தேவைப்படுகின்றது

Ammonia
Wikipedia → · CC

லீ-சாட்லியர் கொள்கை (Le Chatelier's principle) ஒரு சமநிலைத் தாக்கத்திலிருந்து கூடிய விளைவை (yield) எவ்வாறு பெறுவது என்பதை எதிர்வு கூறுகின்றது. ஆனால் தொழிற்சாலையில் ஒரு தாக்கத்தை நடாத்தும்போது, கூடிய விளைவு ஒன்று மட்டும் போதாது. தாக்கம் போதிய வேகத்தில் (rate) நிகழ வேண்டும்; அத்துடன் தாக்கம் நிகழும் நிபந்தனைகள் பொருளாதார ரீதியாகச் (cost) செலவு குறைந்ததாகவும் இருக்க வேண்டும்.

பல சந்தர்ப்பங்களில், கூடிய விளைவைத் தரும் நிபந்தனை மெதுவான வீதத்தையும், விரைவான வீதத்தைத் தரும் நிபந்தனை குறைந்த விளைவையும் தருகின்றன. ஆகவே தொழிலதிபர் தேர்ந்தெடுக்கும் வெப்பநிலையும் அமுக்கமும் விளைவு, வீதம், செலவு ஆகிய மூன்றுக்கும் இடையிலான ஒரு சமரசமாக (compromise) அமைகின்றது. இந்தப் பாடத்தில் அமோனியா உற்பத்திக்கான ஏபர் முறையும் (Haber process), சல்பூரிக் அமில உற்பத்திக்கான தொடுகை முறையும் (Contact process) இந்தச் சமரசத்தின் எடுத்துக்காட்டுகளாக ஆராயப்படுகின்றன.

Industrial Conditions — a Three-way Compromise YIELD Le Chatelier RATE kinetics COST plant + safety chosen conditions no single condition is best for all three — a balance is chosen

தொழிற்சாலை நிபந்தனைகள் விளைவு, வீதம், செலவு ஆகிய மூன்றுக்கும் இடையிலான ஒரு சமரசமாக அமைகின்றன.

1. ஏபர் முறை — அமோனியா உற்பத்தி

Nitric acid
Wikipedia → · CC

அமோனியா (ammonia) நைதரசன் உரங்கள், நைதரிக் அமிலம், வெடிபொருட்கள் ஆகியவற்றுக்கு அடிப்படையானது. ஏபர் முறையில் நைதரசனும் ஐதரசனும் ஒரு மீளுருவாகும் தாக்கத்தின் (reversible reaction) மூலம் அமோனியாவாக இணைகின்றன:

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)    ΔH = −92 kJ mol⁻¹

இந்தத் தாக்கம் புறவெப்பத் தாக்கம் (exothermic) ஆகும்; அத்துடன் தாக்கிகள் பக்கம் 4 மூல்கள் வாயுவும், விளைவுகள் பக்கம் 2 மூல்கள் வாயுவும் உள்ளன. ஐதரசன் பெரும்பாலும் நீராவி மறுவடிவாக்கம் (steam reforming) வழியாக மீத்தேனிலிருந்து பெறப்படுகின்றது: CH₄(g) + H₂O(g) → CO(g) + 3H₂(g).

நிபந்தனைகள் ஏன் சமரசமாகின்றன

வெப்பநிலை. தாக்கம் புறவெப்பமாதலால், லீ-சாட்லியர் கொள்கைப்படி தாழ் வெப்பநிலை அமோனியாவின் விளைவையும் சமநிலை மாறிலி K-ஐயும் அதிகரிக்கும். எனினும் தாழ் வெப்பநிலையில் தாக்க வீதம் மிகவும் மெதுவாகின்றது; வினையூக்கியும் செயலற்றுப் போகின்றது. ஆகவே ஏற்றுக்கொள்ளக் கூடிய ஒரு வீதம் கிடைக்க, விளைவைச் சற்றுத் தியாகம் செய்து ஏறத்தாழ 400–500 °C என்னும் ஒரு சமரச வெப்பநிலை தேர்ந்தெடுக்கப்படுகின்றது.

அமுக்கம். முன்முகத் தாக்கம் 4 மூல்களை 2 மூல்களாகக் குறைப்பதால், லீ-சாட்லியர் கொள்கைப்படி உயர் அமுக்கம் சமநிலையை வலப்புறமாக நகர்த்தி விளைவை அதிகரிக்கின்றது. ஆனால் மிகவும் உயர்ந்த அமுக்கம் வலிமையான விலையுயர்ந்த தாக்கப் பாத்திரங்களைக் கோருகின்றது; பாதுகாப்பு அபாயமும் அதிகரிக்கின்றது. ஆகவே செலவையும் பாதுகாப்பையும் கருத்தில் கொண்டு ஏறத்தாழ 130–300 atm என்னும் ஒரு சமரச அமுக்கம் பயன்படுத்தப்படுகின்றது.

வினையூக்கி. சில உலோக ஒட்சைட்டுகளுடன் (Al₂O₃, K₂O) கலக்கப்பட்ட நுண்துகள் இரும்பு (finely divided iron) வினையூக்கியாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றது. வினையூக்கி முன்முக, பின்முகத் தாக்க வீதங்களை ஒரேயளவால் அதிகரித்து, சமநிலையை விரைவாக அடையச் செய்கின்றது. அது சமநிலைத் தானத்தையோ விளைவின் அளவையோ மாற்றுவதில்லை; அதனால்தான் சற்றுக் குறைந்த வெப்பநிலையிலும் தாக்கம் போதிய வீதத்தில் நிகழ முடிகின்றது.

விளைவை அகற்றல். உருவாகும் அமோனியா குளிர்வித்துத் திரவமாக்கப்பட்டு (liquefied) தொடர்ந்து அகற்றப்படுகின்றது; தாக்கமுறாத N₂, H₂ ஆகியன மீண்டும் சுழற்சிக்கு (recycling) அனுப்பப்படுகின்றன. விளைவை அகற்றுவது சமநிலையைத் தொடர்ந்து வலப்புறமாக நகர்த்தி, ஒரு கடப்பின் (single pass) குறைந்த விளைவைக் கணிசமாக உயர்த்துகின்றது.

காரணிலீ-சாட்லியர் விரும்புவதுபயன்படுத்தப்படும் பெறுமானம்சமரசத்துக்குக் காரணம்
வெப்பநிலைதாழ் (புறவெப்பம்)400–500 °Cதாழ் வெப்பநிலையில் வீதம் மிக மெதுவு
அமுக்கம்உயர் (4 மூல் → 2 மூல்)130–300 atmஉயர் அமுக்கம் செலவையும் அபாயத்தையும் கூட்டும்
வினையூக்கிதேவையில்லை (விளைவை மாற்றாது)இரும்பு + Al₂O₃ / K₂Oவீதத்தை அதிகரிக்கின்றது
NH₃ அகற்றல்தொடர்ந்து அகற்றல்திரவமாக்கி + சுழற்சிசமநிலையை முன்முகமாக நகர்த்துகின்றது
Haber Process — Flow with Recycling N₂ + 3H₂ feed gases Converter Fe catalyst ~450 °C, ~200 atm Cool / liquefy NH₃ liquid NH₃ removed unreacted N₂ + H₂ recycled single-pass yield is low (~15%); recycling pushes overall conversion above 97%

அமோனியா திரவமாக்கி அகற்றப்படுகின்றது; தாக்கமுறாத வாயுக்கள் மீண்டும் சுழற்சிக்கு அனுப்பப்படுகின்றன.

2. தொடுகை முறை — சல்பூரிக் அமில உற்பத்தி

சல்பூரிக் அமிலம் (sulphuric acid) உலகின் மிக அதிகமாக உற்பத்தி செய்யப்படும் தொழில் இரசாயனமாகும்; இதன் பெரும் பகுதி பொசுபேற்று உரத் தயாரிப்புக்குப் பயன்படுகின்றது. தொடுகை முறை மூன்று படிகளைக் கொண்டது:

படி 1: கந்தகம் அல்லது சல்பைட் தாதை எரித்தல் — S(s) + O₂(g) → SO₂(g)
படி 2: சல்பர் டையொட்சைட்டை ஒட்சியேற்றுதல் — 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)   ΔH = −197 kJ mol⁻¹
படி 3: சல்பர் ட்ரையொட்சைட்டை அமிலமாக்குதல் — SO₃(g) + H₂SO₄(l) → H₂S₂O₇(l) (ஓலியம்); H₂S₂O₇(l) + H₂O(l) → 2H₂SO₄(l)

இந்த முறையில் சமநிலை சார்ந்த படியான படி 2 மட்டுமே மீளுருவாகும் தாக்கமாகும். இது புறவெப்பத் தாக்கம்; தாக்கிகள் பக்கம் 3 மூல்கள் வாயுவும், விளைவுகள் பக்கம் 2 மூல்கள் வாயுவும் உள்ளன.

நிபந்தனைகள் ஏன் சமரசமாகின்றன

வெப்பநிலை. படி 2 புறவெப்பமாதலால், லீ-சாட்லியர் கொள்கைப்படி தாழ் வெப்பநிலை SO₃-இன் விளைவை அதிகரிக்கும். எனினும் பயன்படுத்தப்படும் வனேடியம்(V) ஒட்சைட்டு (V₂O₅) வினையூக்கி ஒரு குறிப்பிட்ட வெப்பநிலைக்குக் கீழே செயலற்றுப் போகின்றது; தாக்க வீதமும் மிக மெதுவாகின்றது. ஆகவே வீதத்துக்கும் விளைவுக்கும் இடையில் ஒரு சமரசமாக ஏறத்தாழ 450 °C பயன்படுத்தப்படுகின்றது.

அமுக்கம். முன்முகத் தாக்கம் 3 மூல்களை 2 மூல்களாகக் குறைப்பதால் உயர் அமுக்கம் கொள்கையளவில் விளைவை அதிகரிக்க வேண்டும். ஆனால் 450 °C-இலும் 1–2 atm என்னும் கிட்டத்தட்ட சுற்றுச்சூழல் அமுக்கத்திலும், படி 2-இன் மாற்றம் ஏற்கனவே ஏறத்தாழ 98% அளவை எட்டுகின்றது. ஆகவே மேலதிக விளைவுக்காக விலையுயர்ந்த உயர் அமுக்க உபகரணங்களைப் பயன்படுத்துவது நியாயப்படுத்தப்படமாட்டாது; எனவே ஏறத்தாழ 1–2 atm மட்டுமே பயன்படுத்தப்படுகின்றது.

வினையூக்கி. வனேடியம்(V) ஒட்சைட்டு (V₂O₅) வினையூக்கியாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றது. அது முன்முக, பின்முகத் தாக்க வீதங்களை ஒரேயளவால் அதிகரித்து, சமநிலையை விரைவாக எய்தச் செய்கின்றது; சமநிலைத் தானத்தையோ விளைவையோ மாற்றுவதில்லை.

SO₃-ஐ அமிலமாக்கல். SO₃-ஐ நேரடியாக நீருடன் இணைத்தால் ஒரு செறிந்த சல்பூரிக் அமிலப் புகார் (acid mist) உருவாகின்றது; இது அபாயகரமானது, உறிஞ்சவும் கடினமானது. ஆகவே SO₃ முதலில் செறிந்த H₂SO₄-இல் உறிஞ்சப்பட்டு ஓலியம் (oleum, H₂S₂O₇) உருவாக்கப்பட்டு, பின்னர் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட முறையில் நீருடன் சேர்க்கப்படுகின்றது.

காரணிலீ-சாட்லியர் விரும்புவதுபயன்படுத்தப்படும் பெறுமானம்சமரசத்துக்குக் காரணம்
வெப்பநிலைதாழ் (புறவெப்பம்)ஏறத்தாழ 450 °Cஇதற்குக் கீழே V₂O₅ செயலற்றது; வீதம் மெதுவு
அமுக்கம்உயர் (3 மூல் → 2 மூல்)1–2 atm மட்டுமேஏற்கனவே ~98% மாற்றம்; உயர் அமுக்கம் தேவையில்லை
வினையூக்கிதேவையில்லை (விளைவை மாற்றாது)வனேடியம்(V) ஒட்சைட்டு V₂O₅வீதத்தை அதிகரிக்கின்றது
SO₃ உறிஞ்சல்நேரடி நீர்ச்சேர்க்கைஓலியம் வழியாகநேரடிச் சேர்க்கை அபாயகர அமிலப் புகாரைத் தோற்றுவிக்கும்
Contact Process — Three Stages Step 1 S + O₂ → SO₂ burn sulphur Step 2 — equilibrium 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ V₂O₅, ~450 °C, 1–2 atm ~98% conversion Step 3 SO₃ → oleum → H₂SO₄ absorb, then add water only Step 2 is a reversible equilibrium — its conditions are the compromise

தொடுகை முறையில் படி 2 மட்டுமே சமநிலைத் தாக்கம்; அதன் நிபந்தனைகளே சமரசமாக அமைகின்றன.

இரண்டு முறைகளின் ஒப்பீடு

இரு முறைகளிலும் சமநிலைப் படி புறவெப்பமானது; அத்துடன் முன்முகத் தாக்கம் வாயு மூல்களின் எண்ணிக்கையைக் குறைக்கின்றது. ஆகவே இரண்டிலும் லீ-சாட்லியர் கொள்கை தாழ் வெப்பநிலையையும் உயர் அமுக்கத்தையும் விரும்புகின்றது. வேறுபாடு அமுக்கத்தில் வெளிப்படுகின்றது: ஏபர் முறையில் சமநிலை மாறிலி சிறியதாக இருப்பதால் விளைவைப் பெருக்க உயர் அமுக்கம் (130–300 atm) தேவைப்படுகின்றது; ஆனால் தொடுகை முறையில் படி 2 ஏற்கனவே ஏறத்தாழ 98% மாற்றத்தை எட்டுவதால் உயர் அமுக்கம் தேவையில்லை.

முக்கியக் கருத்து: இரு முறைகளிலும் தேர்ந்தெடுக்கப்படும் வெப்பநிலை லீ-சாட்லியர் கொள்கை விரும்பும் தாழ் வெப்பநிலை அல்ல; அது விளைவுக்கும் வீதத்துக்கும் இடையிலான ஒரு சமரசமாகும். வினையூக்கி விளைவை மாற்றுவதில்லை — அது தாக்கம் போதிய வீதத்தில் நிகழ்வதற்காக மட்டுமே சேர்க்கப்படுகின்றது.

தேர்வாளர் குறிப்பு:

  • வினாத்தாள் II: ஏபர் அல்லது தொடுகை முறையின் நிபந்தனைகளை விளக்கும் கட்டுரை வினா ஒவ்வொரு வருடமும் தோன்றுகின்றது.
  • ஒவ்வொரு நிபந்தனையையும் "லீ-சாட்லியர் கொள்கைப்படி ... என்று எதிர்வு கூறப்படுகின்றது; ஆனால் ... என்னும் காரணத்தால் ... பயன்படுத்தப்படுகின்றது" என்னும் வடிவில் எழுதுவது மதிப்பெண் பெறுவதற்கு உகந்தது.
  • சமப்படுத்திய சமன்பாட்டை ΔH உடனும் நிலைக் குறியீடுகளுடனும் (state symbols) எழுதுக.
  • வினையூக்கி வீதத்தை மட்டுமே அதிகரிக்கின்றது; விளைவையோ K-ஐயோ மாற்றுவதில்லை என்பதைத் தெளிவாகக் கூறுக.
  • விளைவை அகற்றுதலும், தாக்கமுறாத வாயுக்களை மீண்டும் சுழற்சிக்கு அனுப்புதலும் மொத்த விளைவை எவ்வாறு உயர்த்துகின்றன என்பதை விளக்குக.
🌐 விளக்க படம் / Explanatory Diagram
Industrial equilibrium processes
தொழிற்துறை செயல்முறைகள்
Industrial equilibrium processes
Credit: Wikimedia Commons  · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →

📝 பயிற்சி வினாக்கள்

பகுதி I — பல்தேர்வு வினாக்கள்

  1. ஹேபர் முறையில் தயாரிக்கப்படுவது:

    1. H₂SO₄
    2. NH₃
    3. HNO₃
    4. NaOH
    5. HCl
    விடை
    (2) — N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃.

  2. ஹேபர் முறையின் நிபந்தனைகள் (சமரசம்):

    1. உயர் வெப்பநிலை, தாழ் அழுத்தம்
    2. ≈450°C, ≈200 atm, Fe வினையூக்கி
    3. தாழ் T, தாழ் P
    4. அறை நிலை
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (2) — ≈450°C, ≈200 atm, இரும்பு வினையூக்கி (சமரசம்).

  3. தொடுகை முறையில் பயன்படும் வினையூக்கி:

    1. Fe
    2. V₂O₅
    3. Ni
    4. Pt
    5. MnO₂
    விடை
    (2) — V₂O₅ (வனேடியம்(V) ஆக்சைடு).

  4. ஹேபர் முறையில் உயர் அழுத்தம் பயன்படுவதன் காரணம் (சமநிலை):

    1. அதிக வாயு மோல்
    2. குறைந்த வாயு மோல்
    3. சம மோல்
    4. திண்மம்
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (2) — 4 மோல் → 2 மோல்; உயர் அழுத்தம் குறை மோல் பக்கம்.

  5. வெப்பமுமிழ் தொழிற்துறை வினையில் தாழ் வெப்பநிலை விளைச்சலைக் கூட்டினாலும், மிகத் தாழ் வெப்பநிலை தவிர்க்கப்படுவது ஏனெனில்:

    1. விளைச்சல் பூச்சியம்
    2. வீதம் மிக மெதுவாகும்
    3. வெடிக்கும்
    4. வினையூக்கி அழியும்
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (2) — தாழ் வெப்பநிலையில் வீதம் மிக மெதுவு → சமரச வெப்பநிலை.

  6. தொடுகை முறையில் SO₃ நேரடியாக நீரில் கரைக்கப்படாமல்:

    1. வினையாகாது
    2. அடர் அமில மூடுபனியை உருவாக்கும்
    3. வண்டலாகும்
    4. வெடிக்கும்
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (2) — SO₃+H₂O மிகத் தீவிரம், மூடுபனி உருவாகும் → முதலில் H₂SO₄-இல் கரைத்து ஓலியம்.

பகுதி II — கட்டமைப்பு வினா

• ஹேபர் முறையின் சமரச நிபந்தனைகளை (வெப்பநிலை, அழுத்தம், வினையூக்கி) காரணத்துடன் தருக.

மாதிரி விடை
≈450°C (விளைச்சல் vs வீத சமரசம்); ≈200 atm (குறை மோல் பக்கம் ஆனால் செலவு/பாதுகாப்பு); Fe வினையூக்கி (வீதம் ↑, நிலை மாற்றாது).

• தொழிற்துறை வினைகளில் வினையூக்கி ஏன் பயன்படுத்தப்படுகிறது? அது விளைச்சலை மாற்றுமா?

மாதிரி விடை
வீதத்தை அதிகரித்து குறைந்த வெப்பநிலையில் சாத்தியமாக்க; சமநிலை நிலை/விளைச்சலை மாற்றாது, விரைவில் அடையச் செய்யும்.

கட்டுரை வினா

• சமநிலை கோட்பாடுகளின் தொழிற்துறைப் பயன்பாடு — ஹேபர் & தொடுகை முறை, சமரச நிபந்தனைகள், லீ-சாட்டிலியர் & வீதச் சமரசத்தை விளக்குக.

விடை வரைவு
வரைவு: ஹேபர் (NH₃; ≈450°C, ≈200atm, Fe); தொடுகை (H₂SO₄; V₂O₅); வெப்பமுமிழ் → தாழ் T விளைச்சல் ↑ ஆனால் வீத சமரசம்; உயர் P குறை மோல் பக்கம்; வினையூக்கி வீதம் ↑.
அலகு 12