Номер 2, страница 339 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 71. Производство аммиака. Глава 7. Химическая технология - номер 2, страница 339.

Условие.

2. Сформулируйте условия, при которых выход аммиака будет максимальным. Какое из этих условий не выполняется при организации производства и почему?

Решение.

Решение 2.

Решение

Процесс синтеза аммиака из азота и водорода является обратимой, экзотермической реакцией, которая протекает с уменьшением объема газообразных веществ. Уравнение реакции имеет вид:

$N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + Q$

Для определения условий, смещающих равновесие в сторону продуктов (максимизации выхода аммиака), используется принцип Ле Шателье. Исходя из этого принципа, для максимального выхода аммиака необходимо соблюдение следующих условий:

1. Повышение давления: В левой части уравнения находится 4 моль газов (1 моль $N_2$ и 3 моль $H_2$), а в правой — 2 моль газа ($NH_3$). Прямая реакция идет с уменьшением объема. Согласно принципу Ле Шателье, повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего объема, то есть в сторону образования аммиака.
2. Понижение температуры: Прямая реакция синтеза аммиака является экзотермической (протекает с выделением теплоты, $Q > 0$). Понижение температуры смещает равновесие в сторону экзотермической реакции, что способствует увеличению выхода аммиака.
3. Удаление продукта из зоны реакции: Постоянное удаление аммиака (например, путем сжижения) из реакционной смеси приводит к смещению равновесия вправо для восполнения его убыли.
4. Использование катализатора: Катализатор (обычно пористое железо с промоторами) не смещает химическое равновесие, но значительно увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакций. Это позволяет достичь состояния равновесия гораздо быстрее, что делает процесс экономически целесообразным.

В условиях промышленного производства не выполняется в полной мере условие понижения температуры.

Это связано с тем, что при низкой температуре, которая термодинамически выгодна для высокого выхода аммиака, скорость реакции оказывается чрезвычайно низкой, даже при использовании катализатора. Процесс становится экономически неэффективным из-за слишком медленного протекания. Поэтому на практике выбирают компромиссную, или оптимальную, температуру (около 400–500 °C). Эта температура достаточно высока, чтобы обеспечить приемлемую скорость реакции, и в то же время достаточно низка, чтобы равновесный выход аммиака был экономически оправданным.

Ответ:

Условия для максимального выхода аммиака: высокое давление, низкая температура, непрерывное удаление аммиака из реакционной смеси, использование катализатора. В промышленном производстве не выполняется условие низкой температуры, так как при низкой температуре скорость реакции слишком мала. Поэтому процесс ведут при оптимальной температуре (400–500 °C), которая является компромиссом между скоростью реакции и равновесным выходом продукта.