Номер 4, страница 156, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4. Почему выход аммиака на установках синтеза не достигает 100%? Назовите две причины.

Решение

Синтез аммиака из азота и водорода, известный как процесс Габера-Боша, является обратимой реакцией, протекающей в соответствии с уравнением:

$N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} \quad \Delta H < 0$

Выход аммиака в промышленных условиях никогда не достигает 100% по нескольким фундаментальным причинам, главными из которых являются две.

1. Обратимость химической реакции и установление равновесия

Основной причиной является то, что синтез аммиака — это обратимый процесс. Это означает, что реакция протекает одновременно в двух направлениях: прямом (образование аммиака) и обратном (распад аммиака на азот и водород). В замкнутой системе через некоторое время устанавливается состояние химического равновесия, при котором скорости прямой и обратной реакций равны. В точке равновесия в реакционной смеси всегда присутствуют как исходные вещества ($N_2$ и $H_2$), так и продукт ($NH_3$). Поскольку реакция не идёт до полного превращения реагентов в продукты, теоретический выход не может быть равен 100%. Для смещения равновесия вправо (в сторону продуктов) и увеличения выхода аммиака непрореагировавшие газы отделяют от полученного аммиака и возвращают в цикл синтеза, но даже это не позволяет достичь 100% превращения за один цикл.

2. Компромисс между кинетикой и термодинамикой

Прямая реакция синтеза аммиака является экзотермической, то есть протекает с выделением тепла. Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону продукта (увеличения выхода) необходимо понижать температуру. Таким образом, с термодинамической точки зрения, для максимального выхода аммиака процесс следует вести при как можно более низких температурах. Однако при низких температурах скорость химической реакции очень мала, особенно из-за высокой прочности тройной связи в молекуле азота ($N \equiv N$). Чтобы реакция шла с экономически целесообразной скоростью, требуется высокая температура (в промышленности используют 400–500o C) и катализатор. Но эта высокая температура, необходимая с точки зрения кинетики, сдвигает химическое равновесие влево, то есть в сторону исходных веществ, тем самым снижая равновесный выход аммиака. Таким образом, промышленные условия (температура, давление) являются компромиссом, который позволяет достичь приемлемой скорости реакции при всё ещё достаточном, но далёком от 100%, равновесном выходе продукта (обычно 15-25% за один проход).

Ответ:

Выход аммиака на установках синтеза не достигает 100% по двум основным причинам:

1. Реакция синтеза аммиака является обратимой. В системе устанавливается химическое равновесие, при котором в реакционной смеси всегда остаются непрореагировавшие азот и водород.
2. Существует конфликт между термодинамическими и кинетическими факторами. Высокий выход аммиака термодинамически выгоден при низких температурах, однако при этих температурах скорость реакции слишком мала. Для достижения приемлемой скорости процесс ведут при высоких температурах, что, в свою очередь, снижает равновесный выход продукта.