Номер 9, страница 288 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 61. Скорость химической реакции. Закон действующих масс. Глава 6. Теоретическое описание химических реакций - номер 9, страница 288.

Условие.

9. Какие факторы влияют на скорость синтеза аммиака по уравнению $N_2 + 3H_2 = 2NH_3$? Как можно увеличить скорость этой реакции?

Решение.

Решение 2.

Скорость химической реакции синтеза аммиака, протекающей по уравнению $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$, является ключевым параметром в его промышленном производстве. На эту скорость влияет несколько основных факторов.

Факторы, влияющие на скорость синтеза аммиака

1. Концентрация реагентов. Согласно закону действующих масс, скорость прямой реакции прямо пропорциональна произведению концентраций исходных веществ. Для данной реакции выражение для скорости выглядит так: $v = k \cdot [N_2] \cdot [H_2]^3$, где $v$ - скорость реакции, $k$ - константа скорости, а $[N_2]$ и $[H_2]$ - молярные концентрации азота и водорода соответственно. Следовательно, увеличение концентрации любого из реагентов приводит к увеличению частоты столкновений их молекул и, как следствие, к росту скорости реакции.

2. Давление. Все вещества в данной реакции находятся в газообразном состоянии. Повышение давления в системе приводит к увеличению концентрации всех газов, что, аналогично предыдущему пункту, увеличивает скорость реакции. Кроме того, данная реакция протекает с уменьшением числа молей газа (из 1 моль $N_2$ и 3 моль $H_2$ образуется 2 моль $NH_3$, т.е. 4 моль $\to$ 2 моль). Согласно принципу Ле Шателье, повышение давления смещает химическое равновесие в сторону продукта, то есть аммиака, что повышает его выход.

3. Температура. Увеличение температуры, согласно правилу Вант-Гоффа, значительно увеличивает скорость большинства химических реакций, так как возрастает кинетическая энергия молекул и доля эффективных (приводящих к реакции) столкновений. Однако синтез аммиака — процесс экзотермический (протекает с выделением теплоты: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3 + Q$). Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, повышение температуры смещает равновесие влево, в сторону исходных веществ, уменьшая равновесный выход аммиака. Из-за этого на производстве выбирают компромиссную, "оптимальную" температуру (около 400–500 °C), при которой скорость реакции достаточно высока, а выход продукта все еще экономически выгоден.

4. Наличие катализатора. Катализатор — это вещество, которое ускоряет реакцию, предоставляя альтернативный механизм с более низкой энергией активации. Сам катализатор в реакции не расходуется и не влияет на положение химического равновесия (он одинаково ускоряет как прямую, так и обратную реакции). Без катализатора синтез аммиака при умеренных температурах практически не идет. В промышленности (процесс Габера-Боша) используют гетерогенный катализатор на основе пористого железа с добавками (промоторами), например, оксидами калия и алюминия.

Как можно увеличить скорость этой реакции?

На основании вышеизложенных факторов, для увеличения скорости синтеза аммиака следует предпринять следующие меры:

• Увеличить концентрацию реагентов: поддерживать высокое содержание азота и водорода в реакционной смеси.
• Повысить давление: в промышленных установках поддерживают высокое давление, обычно в диапазоне 15–35 МПа (150–350 атмосфер), а иногда и выше.
• Повысить температуру: это напрямую увеличивает скорость, но используется в оптимальном диапазоне (400–500 °C) для сохранения приемлемого выхода аммиака.
• Использовать катализатор: применение высокоактивного катализатора является обязательным и наиболее эффективным способом ускорения реакции в промышленных масштабах.

Ответ: На скорость синтеза аммиака влияют четыре основных фактора: концентрация реагентов, давление, температура и наличие катализатора. Для увеличения скорости реакции необходимо повышать концентрацию азота и водорода, увеличивать давление, использовать оптимально высокую температуру и применять эффективный катализатор.