Номер 1, страница 160, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

1. Охарактеризуйте процесс получения азотной кислоты.

Современный промышленный способ получения азотной кислоты ($HNO_3$) основан на каталитическом окислении синтетического аммиака ($NH_3$). Этот процесс, также известный как метод Оствальда, включает в себя три основные химические стадии.

Стадия 1: Каталитическое окисление аммиака

Первый этап заключается в окислении аммиака кислородом воздуха на катализаторе. Для этого готовят тщательно очищенную от пыли и каталитических ядов (например, соединений серы) аммиачно-воздушную смесь (соотношение $NH_3$ к $O_2$ примерно 1:10). Смесь пропускают через каталитические сетки, изготовленные из сплавов платины с родием (Pt-Rh) или платины, родия и палладия (Pt-Rh-Pd).

Процесс является экзотермическим, гетерогенным и каталитическим, протекает при высокой температуре ($850-950^\circ C$) и давлении от атмосферного до повышенного (0.5-1.2 МПа). Высокая температура необходима для увеличения скорости и селективности реакции в пользу образования оксида азота(II).

Уравнение реакции:

$4NH_3(г) + 5O_2(г) \xrightarrow{t, p, kat} 4NO(г) + 6H_2O(г) + Q$

Выход оксида азота(II) ($NO$) на этой стадии достигает 95–98%.

Стадия 2: Окисление оксида азота(II) до оксида азота(IV)

Горячая газовая смесь, выходящая из контактного аппарата, содержит $NO$, водяной пар, азот и избыточный кислород. Эту смесь охлаждают в котлах-утилизаторах и холодильниках до температуры около $25-50^\circ C$. В процессе охлаждения бесцветный оксид азота(II) реагирует с кислородом и превращается в бурый газ — оксид азота(IV) ($NO_2$).

Реакция является обратимой и экзотермической. Согласно принципу Ле Шателье, смещению равновесия вправо способствует понижение температуры и повышение давления.

Уравнение реакции:

$2NO(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2NO_2(г) + Q$

При низких температурах $NO_2$ частично димеризуется в бесцветный тетраоксид диазота ($N_2O_4$).

Стадия 3: Абсорбция оксида азота(IV) водой

Заключительный этап — поглощение "нитрозных газов" (смеси $NO_2$ и $N_2O_4$) водой. Процесс проводят в абсорбционных башнях, где газовая смесь подается снизу, а вода или разбавленная азотная кислота разбрызгивается сверху (принцип противотока). Реакция является сложной и протекает в присутствии избыточного кислорода, который необходим для доокисления образующегося побочно $NO$.

Процесс также экзотермический, поэтому для увеличения степени поглощения и концентрации конечного продукта башни охлаждают. Суммарное уравнение реакции можно записать так:

$4NO_2(г) + O_2(г) + 2H_2O(ж) \rightarrow 4HNO_3(р-р)$

В результате этого процесса образуется так называемая неконцентрированная азотная кислота с массовой долей 55-65%. Для получения концентрированной (98%) кислоты ее подвергают ректификации с водоотнимающим агентом, например, с концентрированной серной кислотой.

Ответ: Процесс получения азотной кислоты — это многостадийное химическое производство, включающее: 1) каталитическое окисление аммиака кислородом воздуха на платино-родиевом катализаторе при высокой температуре ($850-950^\circ C$) до оксида азота(II); 2) охлаждение газовой смеси и окисление оксида азота(II) избытком кислорода до оксида азота(IV); 3) поглощение оксида азота(IV) водой в присутствии кислорода в абсорбционных колоннах с образованием водного раствора азотной кислоты концентрацией 55-65%.