Номер 1, страница 156, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

1. Охарактеризуйте способ получения аммиака в промышленности.

Решение

Промышленный способ получения аммиака — это процесс Габера-Боша, основанный на прямом синтезе аммиака из азота и водорода. Этот процесс является одним из важнейших в химической промышленности, так как аммиак используется для производства азотных удобрений, азотной кислоты и других продуктов.

В основе процесса лежит обратимая химическая реакция:

$N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} + 92,4 \text{ кДж}$

Для характеристики процесса необходимо проанализировать условия протекания этой реакции и принципы, на которых основан технологический процесс.

Характеристика реакции с точки зрения химического равновесия:

• Реакция обратимая. Это означает, что она протекает одновременно в прямом (образование аммиака) и обратном (разложение аммиака) направлениях. Цель производства — максимально сместить равновесие вправо, в сторону продуктов.
• Реакция экзотермическая. Протекает с выделением тепла ($+Q$). Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону продуктов (вправо) необходимо понижать температуру.
• Реакция протекает с уменьшением объема. Из 4 объемов (1 объем $N_2$ и 3 объема $H_2$) исходных газов образуется 2 объема аммиака. Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия вправо необходимо повышать давление.

Оптимальные условия синтеза аммиака:

Условия процесса выбраны как компромисс между скоростью реакции и выходом продукта (положением равновесия).

1. Температура: 400–500o C. Несмотря на то, что низкая температура смещает равновесие в сторону аммиака, при ней скорость реакции очень мала. Выбранный температурный диапазон обеспечивает достаточную скорость реакции при использовании катализатора и приемлемый выход продукта (15-25% за один проход через реактор).
2. Давление: 15–35 МПа (около 150–350 атмосфер). Высокое давление значительно смещает равновесие в сторону образования аммиака и увеличивает скорость реакции. Использование более высоких давлений (до 100 МПа) возможно, но требует более сложного и дорогого оборудования.
3. Катализатор: Пористое железо, активированное оксидами калия ($K_2O$), алюминия ($Al_2O_3$) и кальция ($CaO$). Катализатор необходим для увеличения скорости реакции, что позволяет проводить процесс при более низких температурах.
4. Концентрация: Для смещения равновесия вправо по принципу Ле Шателье, образующийся аммиак постоянно удаляют из реакционной смеси. Это достигается охлаждением газовой смеси, в результате чего аммиак (имеющий более высокую температуру кипения, -33o C) сжижается, а непрореагировавшие азот и водород остаются в газовой фазе и возвращаются обратно в цикл (принцип циркуляции).

Сырье для производства:

• Азот получают из воздуха путем его сжижения и последующей фракционной перегонки.
• Водород в основном получают паровой конверсией природного газа (метана): $CH_4 + H_2o \xrightarrow{t, kat} Co + 3H_2$.

Таким образом, промышленный синтез аммиака — это сложный, непрерывный, циклический, каталитический процесс, проводимый при высоком давлении и повышенной температуре с постоянным отводом целевого продукта.

Ответ: Промышленный способ получения аммиака (процесс Габера-Боша) заключается в каталитическом синтезе из азота и водорода ($N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3 + Q$). Процесс основан на принципе Ле Шателье и проводится при оптимальных условиях: температура 400–500o C, давление 15–35 МПа, в присутствии железного катализатора. Для увеличения выхода продукта используется принцип циркуляции, при котором непрореагировавшие газы возвращаются в реактор, а полученный аммиак удаляется из системы путем сжижения.