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

•1. Составьте материальный баланс производства аммиака, полагая, что исходная смесь состоит из водорода и азота в стехиометрическом отношении и что массовая доля выхода аммиака составляет 20% от теоретического выхода аммиака. Расчет ведется на аммиак массой 1 т.

1. Дано:

Масса полученного аммиака, $m_{практ}(NH_3) = 1$ т

Массовая доля выхода аммиака, $\eta = 20\%$

Исходная смесь состоит из водорода ($H_2$) и азота ($N_2$) в стехиометрическом отношении.

$m_{практ}(NH_3) = 1 \text{ т} = 1000 \text{ кг}$

$\eta = 20\% = 0.2$

Найти:

Материальный баланс производства аммиака.

Решение:

1. Запишем уравнение реакции синтеза аммиака (процесс Габера-Боша):

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

2. Определим молярные массы участвующих веществ, используя округленные значения атомных масс: $Ar(N) = 14$, $Ar(H) = 1$.

Молярная масса азота $N_2$: $M(N_2) = 2 \cdot 14 = 28$ кг/кмоль.

Молярная масса водорода $H_2$: $M(H_2) = 2 \cdot 1 = 2$ кг/кмоль.

Молярная масса аммиака $NH_3$: $M(NH_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17$ кг/кмоль.

3. Выход продукта ($\eta$) — это отношение практически полученной массы продукта к теоретически возможной. Рассчитаем теоретический выход аммиака ($m_{теор}(NH_3)$), который можно было бы получить из всего исходного сырья, если бы реакция прошла до конца.

$\eta = \frac{m_{практ}(NH_3)}{m_{теор}(NH_3)}$

$m_{теор}(NH_3) = \frac{m_{практ}(NH_3)}{\eta} = \frac{1000 \text{ кг}}{0.20} = 5000 \text{ кг}$

4. Рассчитаем массы исходных реагентов, которые составляют статью "Приход" материального баланса.

Согласно уравнению реакции, для получения $2 \cdot M(NH_3) = 2 \cdot 17 = 34$ кг аммиака требуется $M(N_2) = 28$ кг азота и $3 \cdot M(H_2) = 3 \cdot 2 = 6$ кг водорода.

Суммарная масса реагентов $28 + 6 = 34$ кг, что равно массе продукта, в соответствии с законом сохранения массы.

Следовательно, для теоретического получения 5000 кг аммиака необходимо затратить 5000 кг исходной стехиометрической смеси.

Массовая доля азота в этой смеси: $w(N_2) = \frac{28}{34} = \frac{14}{17}$

Массовая доля водорода в этой смеси: $w(H_2) = \frac{6}{34} = \frac{3}{17}$

Масса исходного азота, который нужно подать в реактор:

$m_{исх}(N_2) = m_{теор}(NH_3) \cdot w(N_2) = 5000 \text{ кг} \cdot \frac{14}{17} \approx 4117.65 \text{ кг}$

Масса исходного водорода, который нужно подать в реактор:

$m_{исх}(H_2) = m_{теор}(NH_3) \cdot w(H_2) = 5000 \text{ кг} \cdot \frac{3}{17} \approx 882.35 \text{ кг}$

Итого "Приход": $4117.65 + 882.35 = 5000$ кг.

5. Рассчитаем массы веществ на выходе из реактора, которые составляют статью "Расход". На выходе мы имеем целевой продукт (аммиак) и непрореагировавшие реагенты.

Масса полученного аммиака: $m(NH_3) = 1000 \text{ кг}$.

Для образования 1000 кг аммиака прореагировало 1000 кг исходной смеси. Таким образом, общая масса непрореагировавших веществ составляет:

$m_{ост} = m_{исх\_всего} - m_{прореаг\_всего} = 5000 \text{ кг} - 1000 \text{ кг} = 4000 \text{ кг}$

Поскольку исходная смесь была стехиометрической, непрореагировавшие газы также находятся в стехиометрическом соотношении.

Масса непрореагировавшего азота:

$m_{ост}(N_2) = m_{ост} \cdot w(N_2) = 4000 \text{ кг} \cdot \frac{14}{17} \approx 3294.12 \text{ кг}$

Масса непрореагировавшего водорода:

$m_{ост}(H_2) = m_{ост} \cdot w(H_2) = 4000 \text{ кг} \cdot \frac{3}{17} \approx 705.88 \text{ кг}$

Итого "Расход": $1000 \text{ кг } (NH_3) + 3294.12 \text{ кг } (N_2) + 705.88 \text{ кг } (H_2) = 5000 \text{ кг}$.

Закон сохранения массы выполняется.

6. Сводная таблица материального баланса:

Ответ:

Материальный баланс на производство 1000 кг аммиака представлен в таблице. Для получения 1000 кг аммиака необходимо подать в реактор 4117.65 кг азота и 882.35 кг водорода. На выходе из реактора будет получено 1000 кг аммиака, а также 3294.12 кг непрореагировавшего азота и 705.88 кг непрореагировавшего водорода.