Номер 3, страница 127 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 16. Химическое равновесие и факторы, на него влияющие. Глава 4. Научные основы химического производства - номер 3, страница 127.

Условие.

3. Как можно увеличить выход продуктов в промышленно важных реакциях:

а) $C_2H_4\text{(г)} + H_2O\text{(г)} \rightleftharpoons C_2H_5OH\text{(г)} + Q;$

б) $C_2H_6\text{(г)} \rightleftharpoons C_2H_4\text{(г)} + H_2\text{(г)} - Q;$

в) $2SO_2\text{(г)} + O_2\text{(г)} \rightleftharpoons 2SO_3\text{(г)} + Q;$

г) $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3?$

Решение.

Решение 2.

Для определения оптимальных условий увеличения выхода продуктов в обратимых реакциях воспользуемся принципом Ле Шателье. Этот принцип гласит, что если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать внешнее воздействие (изменить температуру, давление или концентрацию веществ), то равновесие сместится в том направлении, которое ослабляет это воздействие.

а) $C_2H_4(г) + H_2O(г) \rightleftharpoons C_2H_5OH(г) + Q$

1. Температура: Прямая реакция является экзотермической, так как протекает с выделением теплоты ($+Q$). Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону образования продуктов (вправо) необходимо понижать температуру.
2. Давление: В левой части уравнения находится 2 моль газа ($1$ моль $C_2H_4$ и $1$ моль $H_2O$), а в правой — 1 моль газа ($1$ моль $C_2H_5OH$). Прямая реакция идет с уменьшением числа молей газов ($\Delta\nu = 1 - 2 = -1$). Для смещения равновесия в сторону меньшего объема, то есть вправо, необходимо повышать давление.
3. Концентрация: Для смещения равновесия вправо следует увеличивать концентрацию исходных веществ ($C_2H_4$ или $H_2O$) и/или удалять продукт реакции ($C_2H_5OH$) из реакционной смеси.
4. Катализатор: Применение катализатора (например, ортофосфорной кислоты) не смещает равновесие, но значительно ускоряет его достижение, что критически важно в промышленных масштабах.

Ответ: понижение температуры, повышение давления, увеличение концентрации реагентов, удаление продукта из сферы реакции, использование катализатора.

б) $C_2H_6(г) \rightleftharpoons C_2H_4(г) + H_2(г) - Q$

1. Температура: Прямая реакция является эндотермической, так как протекает с поглощением теплоты ($-Q$). Для смещения равновесия в сторону продуктов необходимо повышать температуру.
2. Давление: В левой части уравнения 1 моль газа ($C_2H_6$), а в правой — 2 моль газа ($1$ моль $C_2H_4$ и $1$ моль $H_2$). Прямая реакция идет с увеличением числа молей газов ($\Delta\nu = 2 - 1 = 1$). Для смещения равновесия в сторону большего объема (вправо) необходимо понижать давление.
3. Концентрация: Увеличение концентрации этана ($C_2H_6$) или удаление продуктов ($C_2H_4$ или $H_2$) из реакционной зоны сместит равновесие вправо.
4. Катализатор: Использование катализатора (например, оксида хрома(III)) необходимо для увеличения скорости реакции.

Ответ: повышение температуры, понижение давления, увеличение концентрации реагента, удаление продуктов из сферы реакции, использование катализатора.

в) $2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г) + Q$

1. Температура: Прямая реакция экзотермическая ($+Q$). Для увеличения выхода продукта ($SO_3$) необходимо понижать температуру. На практике используют компромиссную температуру (около 450°C), так как при более низких температурах скорость реакции слишком мала даже с катализатором.
2. Давление: В левой части уравнения 3 моль газа ($2$ моль $SO_2$ и $1$ моль $O_2$), а в правой — 2 моль газа ($2$ моль $SO_3$). Прямая реакция идет с уменьшением числа молей газов ($\Delta\nu = 2 - 3 = -1$). Для смещения равновесия вправо необходимо повышать давление.
3. Концентрация: Увеличение концентрации исходных веществ ($SO_2$ или $O_2$) или удаление продукта ($SO_3$) сместит равновесие вправо. В промышленности используют избыток кислорода.
4. Катализатор: Реакция проводится в присутствии катализатора (например, оксида ванадия(V) $V_2O_5$).

Ответ: понижение температуры, повышение давления, увеличение концентрации реагентов, использование катализатора.

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

В уравнении не указан тепловой эффект, но синтез аммиака (процесс Габера-Боша) является классическим примером экзотермической реакции: $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + Q$.
1. Температура: Так как реакция экзотермическая ($+Q$), для смещения равновесия в сторону продукта ($NH_3$) необходимо понижать температуру. На практике используют оптимальную температуру (400–500°C) для обеспечения приемлемой скорости реакции.
2. Давление: В левой части уравнения 4 моль газа ($1$ моль $N_2$ и $3$ моль $H_2$), а в правой — 2 моль газа ($2$ моль $NH_3$). Прямая реакция идет со значительным уменьшением числа молей газов ($\Delta\nu = 2 - 4 = -2$). Для смещения равновесия вправо необходимо значительно повышать давление.
3. Концентрация: Увеличение концентрации азота ($N_2$) или водорода ($H_2$) и постоянное удаление аммиака ($NH_3$) из реакционной смеси (например, путем его сжижения и вывода из системы) смещают равновесие вправо.
4. Катализатор: Процесс ведут с использованием катализатора (пористое железо с промоторами).

Ответ: понижение температуры, повышение давления, увеличение концентрации реагентов, непрерывное удаление продукта реакции, использование катализатора.