Номер 3, страница 160, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

3. Что общего в многостадийном производстве азотной и серной кислот?

Несмотря на то, что в производстве азотной ($HNO_3$) и серной ($H_2SO_4$) кислот используются разные исходные вещества и получаются разные продукты, их технологические процессы имеют много общих черт и основаны на схожих физико-химических принципах.

1. Общая трехстадийная схема производства.

Оба процесса можно условно разделить на три основные стадии, которые аналогичны по своей сути:

• Стадия 1: Получение оксида неметалла.

  Для серной кислоты это получение оксида серы(IV) ($SO_2$) путем сжигания серы ($S + O_2 \rightarrow SO_2$) или обжига сульфидных руд, например, пирита ($4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2$).

  Для азотной кислоты это получение оксида азота(II) ($NO$) путем каталитического окисления аммиака ($4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{кат., t} 4No + 6H_2O$).

• Стадия 2: Окисление полученного оксида до высшего оксида.

  В производстве серной кислоты оксид серы(IV) окисляют до оксида серы(VI): $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$.

  В производстве азотной кислоты оксид азота(II) окисляют до оксида азота(IV): $2No + O_2 \rightarrow 2NO_2$.

• Стадия 3: Поглощение (абсорбция) высшего оксида и получение кислоты.

  Оксид серы(VI) поглощают концентрированной серной кислотой с образованием олеума ($SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2S_2O_7$), который затем разбавляют водой. Прямое поглощение водой не используют из-за образования кислотного тумана.

  Оксид азота(IV) поглощают водой в присутствии кислорода, получая азотную кислоту: $4NO_2 + O_2 + 2H_2o \rightarrow 4HNO_3$.

2. Использование катализаторов.

Ключевые стадии в обоих производствах являются каталитическими. Использование катализаторов позволяет проводить реакции с высокой скоростью при более низких температурах.

• В производстве $H_2SO_4$ используется катализатор оксид ванадия(V) ($V_2O_5$) на стадии окисления $SO_2$ в $SO_3$.

• В производстве $HNO_3$ используется платино-родиевый катализатор на стадии окисления аммиака $NH_3$ в $NO$.

3. Экзотермический характер процессов и использование принципа теплообмена.

Все основные реакции в обоих производствах являются экзотермическими, то есть протекают с выделением большого количества теплоты. Это тепло используется для подогрева исходных реагентов в теплообменниках (принцип рекуперации тепла), что значительно снижает энергозатраты и повышает экономическую эффективность производства.

4. Оптимизация условий проведения реакций.

Для достижения максимального выхода продукта в обоих случаях тщательно подбираются оптимальные условия (температура, давление, концентрация реагентов), основываясь на принципе Ле Шателье. Например, реакции окисления $SO_2 \rightleftharpoons SO_3$ и окисления $NH_3 \rightleftharpoons NO$ являются обратимыми и экзотермическими. Поэтому для смещения равновесия в сторону продуктов реакции проводят при повышенной температуре (для увеличения скорости) и, где это возможно, при повышенном давлении, но находят компромисс, чтобы не сместить равновесие экзотермической реакции обратно.

5. Использование принципа противотока.

На стадии абсорбции (поглощения) газов жидкостью в обоих производствах используется принцип противотока. В абсорбционных колоннах газ подается снизу, а поглощающая жидкость (вода или кислота) стекает сверху. Это обеспечивает максимальную площадь контакта фаз и наиболее полное поглощение газа.

6. Использование воздуха в качестве окислителя.

В обоих технологических процессах в качестве основного и самого дешёвого окислителя на всех окислительных стадиях используется кислород воздуха.

Ответ: Общими чертами в многостадийном производстве азотной и серной кислот являются: схожая трехстадийная технологическая схема (получение оксида, его окисление до высшего, поглощение высшего оксида); использование катализаторов на ключевых стадиях; экзотермический характер всех основных реакций и применение принципа теплообмена; использование принципа противотока в абсорбционных аппаратах; научный подход к оптимизации условий (температуры, давления) на основе принципа Ле Шателье; использование кислорода воздуха в качестве основного окислителя.