หลักของเลอซาเตอลิเอ
อังคาร, 15 มีนาคม 2011

หลักเลอชาเตอลิเอ

7.5.1 การใช้หลักของเลอชาเตอลิเอ

ในอุตสาหกรรม นอกจากจะต้องคำนึงถึงการลงทุน และเวลาที่ใช้เป็นสำคัญแล้ว ยังต้องคำนึงถึงกรรมวิธีในการผลิต คือ การเปลี่ยนวัตถุดิบ หรือสารตั้งต้นให้เกิดผลิตภัณฑ์มากที่สุด โดยใช้เวลาน้อยที่สุดในที่นี้จะใช้หลักเลอ ชาเตอลิเอ มาพิจารณาวินิจฉัยผลการเปลี่ยนแปลงปัจจัยต่างๆ เช่น ความดันและอุณหภูมิ ว่ามีผลต่อปริมาณอย่างไรบ้าง และจะนำไปใช้ในอุตสาหกรรมผลิตสารต่างๆได้อย่างไร

ตัวอย่างการผลิตก๊าซแอมโมเนีย (NH3) ซึ่งเป็นสารตั้งต้น ในการผลิต ปุ๋ยแอมโมเนียซัลเฟต (NH4)2SO4 พลาสติก โชดาแอช และสีย้อม การเตรียมก๊าซ NH3 จากปฏิกิริยาระหว่าง N2(g) กับ H2(g) ดังนี้

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) +92 kj

ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน และเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้ ที่ภาวะสมดุล จึงมีสารตั้งต้น และผลิตภัณฑ์ทุกชนิดปนกัน

การทดลองผลิตกาซแอมโมเนีย (NH3) ที่อุณหภูมิ และ ความดันต่างๆ ได้ก๊าซ NH3คิดเป็นร้อยละต่างๆ ดังตาราง 13.16

ตาราง 13.16 ร้อยละโดยโมลของ NH3 ที่สมดุล ที่ความดันและอุณหภูมิต่าง ๆ

ที่มา : George. M. Bodner and Harry L. Pardue, Chemistry (An experimentalscience), 1989, 589 P.

ร้อยละโดยโมลของก๊าซ NH3 คิดจากจำนวนโมลของ NH3(g) ที่สมดุล หารด้วยจำนวนโมลรวมของก๊าซ N2, H2 และ NH3 ที่สมดุล คูณร้อย

จากตาราง 13.16 นำข้อมูลจากการทดลองผลิตก๊าซแอมโมนียที่อุณหภูมิ และความดันต่างๆ มาเขียนกราฟได้ดังรูป 13.9

รูป 13.9 กราฟแสดงร้อยละของ NH3 ผลิตได้ที่สมดุล ณ อุณหภูมิ และความดันต่างๆ เมื่อใช้N 22(g) และH 2 (g) ผสมในอัตราส่วน 1:3 โดยปริมาตร

จากกราฟในรูป 13.9 สรุปได้ว่า ณ ความดันค่าหนึ่ง เมื่อใช้อุณหภูมิต่ำ จะผลิตก๊าซ NH3 ปริมารมากกว่าเมื่อผลิตที่อุณหภูมิสูง และอุณหภูมิ ยิ่งผลิต NH3(g) ออกมาได้น้อย ซึ่งสามารถอธิบายโดยใช้หลักเอ ชาเตอลิเอ ดังนี้

เนื่องจากปฏิกิริยาของการผลิต NH3(g) เป็นแบบคายความร้อน ถ้าลดอุณหภูมิสมดุลของระบบเสียไป ในทิศทางที่จะต้องปรับตัวเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น เพื่อคายพลังงานเพิ่มขึ้น ตามหลังชาเตอลิเอ ที่สมดุลใหม่จะพว่ามีปริมาณ NH3(g) เพิ่มขึ้น ซึ่งเขียนสรุปได้ดังนี้

จากกราฟในรูป 13.9 สรุปได้ว่า ณ อุณหภูมิค่าหนึ่ง เมื่อเพิ่มความดันจะได้ก๊าซ NH3 มากขึ้น ซึ่งสามารถอธิบายโดยใช้หลัก เลอ ชาเตอลิเอ ดังนี้

ปฏิกิริยาที่เป้นก๊าซ จำนวนโมลของก๊าซที่เป็นสารตั้งต้นไม่เท่ากับจำนวนโมลของก๊าซที่เป็น ผลิตภัณฑ์ในสมการที่ดุลแล้ว เมื่อเพิ่มความดัน ทำให้สมดุลเสียไปในทิศทางต้องเกิดจากการปรับตัวเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามาก ขึ้น ที่สมดุลใหม่จะพบว่าปริมาณ NH3 (g) เพิ่มขึ้น ซึ่งเขียนสรุปได้ดังนี้

สรุป การผลิตก๊าซ NH3 ให้มีปริมาตรมาก ควรเลือกผลิตที่อุณหภุมิต่ำ และความดันสูง การผลิตก๊าซ NH3 ในอุตสาหกกรรม นอกจากต้องผลิต NH3 (g) มากๆ แล้วยังต้องคำนึงถึงเวลาที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยา คือ ถ้าผลิตที่อุณหภูมิต่ำ จะมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาต่ำ ทำให้ได้ก๊าซ NH3 ช้า เป็นการสิ้นเปลืองเวลา จากการทดลองพบว่า อุณหภูมิที่พอเหมาะในการผลิตก๊าซ NH3 คือ 500 C และเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้นจึงต้องใส่ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย ส่วนความดันที่ใช้ผลิตก๊าซ NH3 มีขอบเขตจำกัดทั้งนี้เนื่องจากอุปกรณ์ที่ใช้กับความดันสูงๆ ราคาแพงมาก ดังนั้น ความดันที่พอเหมาะในการผลิต NH3 คือ 350 atm

ฟริตช์ ฮาเบอร์

ฟริตช์ ฮาเบอร์ เป็นนักเคมีชาวเยอรมัน พบว่าภาวะเหมาะที่จะผลิต NH3 (g) ในอุตสาหกรรม คือ ใช้อุณหภูมิ 500C ความดัน 350 atm และมี Fe เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โดยให้ N 2 (g) และ H 2 (g) ทำปฏิกิริยาเดียวกัน พบว่า เกิด NH3 (g) เพียง 30% เท่านั้น แล้วแยกก๊าซ NH3 ออก ส่วนก๊าซ N2 และ H2 นำกลับไปใช้ผลิตใหม่ กระบวนการผลิต NH3 (g) นี้เรียกว่า กระบวนการฮาเบอร์ (Haber process)

กระบวนการฮาเบอร์ ผลิต NH3 N2 เตรียมจากการกลั่นลำดับส่วนอากาศเหลว และ H2 เรียมจากแนฟทา หรือก๊าซธรรมชาติ กับไอน้ำ โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาดังนี้

การแยกก๊าซ CO ออกจากก๊าซผสม และอาจจะมีก๊าซที่เป็นสารประกอบของกำมะถัน ไอน้ำ และ ก๊าซ CO2ก็ต้องแยกออกไปด้วย แล้วนำก๊าซ H2 ไปใช้เตรียมก๊าซ NH3 ต่อไป

อุตสาหกรรมการผลิต SO3 ซึ่งใช้เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมกรดซัลฟิวริก (H2SO4) โดยใช้ก๊าซ SO2 ทำปฏิกิริยากับก๊าซ O2 ดังสมการ

ปฏิกิริยาคายความร้อน และเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้ อาศัยหลัก เลอ ชาเตอลิเอ ถ้าต้องการ SO3 มาก ควรลดอุณหภูมิ และเพิ่มความดัน ในทำนองเดียวกับการผลิตก๊าซ NH3 ดังนี้

ในการผลิตก๊าซ SO3 ใช้สารประกอบเนวาเดียม (เช่น VO3- หรือ V2O5) และแพลทินัม (Pt) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ภาวะที่พอเหมาะในการผลิต SO3 ให้ได้ปริมาณมาก ใช้อุณหภูมิ 450C จะเกิด SO3 97% และที่ความดันเพียง 1 atm ก็พอ

อุตสาหกรรมการสังเคราะห์เพชรจากแกรไฟต์ ซึ่ง นักวิทยาศาสตร์สังเคราะห์ได้สำเร็จในปี ค.ศ. 2497 เขียนแทนด้วยสมการดังนี้

ปฏิกิริยาเป็นแบบดูดความร้อน การเพิ่มอุณหภูมิจะรบกวนสมดุล อาศัยหลักของเลอชาเตอริเอ จะพบระบบการปรับตัวเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น ที่สมดุลใหม่มีผลิตภัณฑ์เพชรมากขึ้น นอกจากนี้ยังพบว่าเพชร มีความหนาแน่นสูงกว่าแกรไฟต์ จึงทำให้ปริมาตรต่อโมลของเพชรน้อยกว่าแกรไฟต์ การอัดแกรไฟต์ที่ความดันสูงมาก ๆ จะทำให้ปริมาตรต่อโมลยิ่งลดลง บางส่วนของแกรไฟต์ ถูกจัดเปลี่ยนโครงสร้างเป็นเพชรดังนั้น ภาวะที่เหมาะสมที่จะสังเคราะห์เพชร คือ อุณหภูมิประมาณ 2000C และความดันตั้งแต่ 50,000-100,000 atm และใช้ Fe หรือ Cr หรือ Pt เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

ประวัติบุคคลสำคัญ
อองรี ลุย เลอ ซาเตอลิเอ (1850-1936)

อองรี ลุย เลอ ซาเตอริเอ เริ่มทำงานด้วยการเป็นวิศวกรเหมืองแร่ ก่อนที่จะมาสอนวิชาเคมี มันเป็นประสบการณ์ของเขาที่เป็นวิศวกร อย่างไรก็ตามเขาได้ค้นคว้าสิ่งต่างๆ เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์หลายอย่างที่สำคัญที่สุดที่เขาค้นคว้าเกี่ยวกับวิทยา ศาสตร์ก็คือ กฎของสมการเคมี เรียกว่า หลักของเลอซาเตอลิเอ กล่าวว่า “ถ้าระบบของสมดุลใดๆ ถูกรบกวนระบบสมดุลนั้น ก็จะเปลี่ยนไปในทิศทางที่จะลดผลของการรบกวนนั้น เพื่อให้ระบบเข้าสู่สภาวะสมดุลอีกครั้งหนึ่งสำหรับในงานด้านอื่น ๆ เขาได้ปรับปรุงเครื่องวัดอุณหภูมิสูง ๆได้ เรียกว่า แพลทินัม-โรเดียมเทอร์-มอคอบบัพ นอกจากนั้นเขายังได้ออกแบบสร้างไมโครสคอปชนิดพิเศษสำหรับศึกษาโลหะ และได้ปรับปรุง กระบวนการขัดผิวโลหะใหม่ เพื่อตรวจสอบโลหะต่าง ๆ



link วิทยาศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านวิทยาศาสตร์

ดูลิ้งค์ทั้งหมด

link คณิตศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านคณิตศาสตร์

ดูลิ้งค์ทั้งหมด
UNESCO Bangkok

ICT in Education

พจนานุกรมศัพท์

วิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์และเทคโนโลยี