Номер 4, страница 149, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4. Отчего применявшиеся ранее в сернокислотном производстве платиновые катализаторы и катализаторы на основе оксида железа повсеместно заменены ванадиевыми?

Замена платиновых и железооксидных катализаторов на ванадиевые в производстве серной кислоты, в частности на стадии каталитического окисления сернистого ангидрида ($SO_2$) в серный ($SO_3$), обусловлена совокупностью экономических и технологических преимуществ ванадиевых катализаторов по сравнению с другими.

Сравнение с платиновыми катализаторами:

Платиновые катализаторы обладают очень высокой активностью, позволяя проводить процесс при более низких температурах, что выгодно с точки зрения смещения равновесия в сторону продукта. Однако у них есть два существенных недостатка:

1. Высокая стоимость. Платина — это драгоценный металл, поэтому использование катализаторов на её основе связано с огромными капитальными затратами.

2. Чувствительность к каталитическим ядам. Платиновые катализаторы очень легко "отравляются" примесями, содержащимися в сернистом газе (особенно соединениями мышьяка, $As$), которые часто присутствуют при получении $SO_2$ обжигом сульфидных руд. Отравление катализатора приводит к его необратимой дезактивации и необходимости замены, что требует предварительной очень тщательной и дорогостоящей очистки газа.

Ванадиевые катализаторы ($V_2O_5$) в этом отношении намного выгоднее: они значительно дешевле и гораздо более устойчивы к действию каталитических ядов.

Сравнение с катализаторами на основе оксида железа:

Катализаторы на основе оксида железа ($Fe_2O_3$) являются самыми дешёвыми, но их каталитическая активность значительно ниже. Для достижения приемлемой скорости реакции они требуют очень высоких температур (более 600–650o C).

Ключевая реакция процесса $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3 + Q$ является экзотермической и обратимой. Согласно принципу Ле Шателье, повышение температуры смещает равновесие влево, то есть в сторону реагентов. При высоких температурах, необходимых для работы железооксидного катализатора, равновесная степень превращения $SO_2$ в $SO_3$ очень низка (около 60–70%), что делает процесс неэффективным и экономически нерентабельным в промышленных масштабах.

Преимущества ванадиевых катализаторов:

Ванадиевый катализатор на основе оксида ванадия(V) ($V_2O_5$) является "золотой серединой". Он:

1. Обладает достаточной активностью в оптимальном температурном диапазоне (420–600o C), что позволяет достичь высокой скорости реакции.

2. Работает при температурах, где равновесие ещё не слишком сильно смещено влево, что обеспечивает высокую степень конверсии $SO_2$ в $SO_3$ (до 98-99,7% при использовании многоступенчатой схемы с промежуточным охлаждением).

3. Обладает хорошей стойкостью к каталитическим ядам и имеет длительный срок службы.

4. Имеет приемлемую стоимость.

Таким образом, сочетание высокой эффективности, устойчивости и умеренной цены сделало ванадиевые катализаторы основным выбором для современного производства серной кислоты.

Ответ: Ванадиевые катализаторы повсеместно заменили платиновые и железооксидные, так как они представляют собой оптимальный компромисс по ключевым технологическим и экономическим показателям: они значительно дешевле и устойчивее к отравлению примесями, чем платиновые, и в то же время намного активнее и эффективнее (обеспечивают более высокую степень конверсии при более низких температурах), чем катализаторы на основе оксида железа.