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

2. Почему аммиак не производят при высоком давлении?

2. Почему аммиак не производят при высоком давлении?

Этот вопрос следует понимать так: "Почему при синтезе аммиака не используют сверхвысокие давления, хотя это и выгодно с точки зрения химического равновесия?". Дело в том, что промышленное производство аммиака (процесс Габера-Боша) как раз и осуществляется при высоком давлении (обычно 15–30 МПа, или 150–300 атмосфер), но выбор конкретного значения давления — это результат технико-экономического компромисса.

Уравнение реакции синтеза аммиака: $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + Q$ (реакция экзотермическая).

Согласно принципу Ле Шателье, повышение давления смещает равновесие вправо, в сторону образования продукта, поскольку реакция протекает с уменьшением числа молей газа (из 4 моль реагентов образуется 2 моль продукта). Следовательно, с термодинамической точки зрения, чем выше давление, тем больше равновесный выход аммиака.

Однако от использования сверхвысоких давлений (например, 500-1000 атм и более) отказываются по следующим основным причинам:

• Экономические затраты. Создание и обслуживание оборудования (компрессоров, реакторов, трубопроводов), способного выдерживать сверхвысокое давление, требует огромных капиталовложений. Кроме того, значительные затраты энергии идут на сжатие газовой смеси до таких давлений. Экономический эффект от прироста выхода аммиака при сверхвысоких давлениях не окупает этих колоссальных затрат.
• Технологическая сложность и безопасность. Работа с газами под сверхвысоким давлением и при высокой температуре (400–500o C, необходимой для приемлемой скорости реакции) сопряжена с серьезными техническими трудностями. Требуются специальные, очень дорогие и прочные сплавы, а риск аварий значительно возрастает. Обеспечение безопасности такого производства становится чрезвычайно сложной задачей.

Поэтому в промышленности выбирают оптимальные условия. Давление в 15-30 МПа является компромиссом, который позволяет достичь экономически оправданного выхода аммиака (порядка 15-25% за один проход через катализатор) при приемлемых затратах и уровне безопасности. Непрореагировавшую азотоводородную смесь отделяют от аммиака и возвращают в начало процесса (в рецикл), доводя тем самым общую степень превращения реагентов почти до 100%.

Ответ: Аммиак не производят при сверхвысоких давлениях, так как это экономически невыгодно и технически чрезвычайно сложно. Высокие капитальные и энергетические затраты на создание и эксплуатацию оборудования для сверхвысоких давлений превышают выгоду от дополнительного увеличения выхода продукта. Поэтому в промышленности используют оптимальное давление (15-30 МПа), которое является компромиссом между термодинамической выгодностью, скоростью реакции, безопасностью и экономическими затратами.