Номер 3, страница 134 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 17. Научные принципы организации химического производства. Глава 4. Научные основы химического производства - номер 3, страница 134.

Условие.

3. Приведите пример, показывающий, что знание закономерностей протекания химических реакций позволяет получать вещества с максимальным выходом.

Решение.

Решение 2.

Знание закономерностей протекания химических реакций, таких как принцип Ле Шателье и факторы, влияющие на скорость реакции, является ключом к управлению химическими процессами для достижения максимального выхода целевого продукта. Классическим примером, иллюстрирующим это, является промышленный синтез аммиака по методу Габера-Боша.

Рассмотрим реакцию синтеза аммиака из азота и водорода:

$N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} + Q$

Эта реакция является обратимой, экзотермической (протекает с выделением тепла $Q$) и сопровождается уменьшением объёма (из 4 молей газообразных реагентов образуется 2 моля газообразного продукта).

Для смещения химического равновесия в сторону образования продукта (аммиака) и увеличения его выхода, согласно принципу Ле Шателье, необходимо:

• Понижать температуру. Так как прямая реакция экзотермическая, понижение температуры смещает равновесие вправо. Однако с понижением температуры резко падает и скорость реакции. При комнатной температуре реакция практически не идёт. Поэтому на практике выбирают компромиссную, оптимальную температуру (около 400–500 °C), которая обеспечивает и приемлемую скорость, и достаточно высокий равновесный выход продукта.
• Повышать давление. Прямая реакция идёт с уменьшением числа молей газов (с 4 до 2). Повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего объёма, то есть в сторону образования аммиака. Поэтому процесс ведут при высоком давлении (150–350 атм и выше).
• Изменять концентрации. Увеличение концентрации исходных веществ (азота и водорода) или удаление продукта (аммиака) из зоны реакции также смещает равновесие вправо. В промышленности это реализуется путём непрерывного удаления полученного аммиака (его сжижают охлаждением) и возвращения непрореагировавших азота и водорода обратно в реактор (принцип циркуляции).

Кроме факторов, влияющих на равновесие, необходимо учитывать и скорость реакции. Для её увеличения при выбранной оптимальной температуре используют катализатор (например, пористое железо с активаторами – оксидами калия и алюминия). Катализатор не смещает равновесие, но значительно ускоряет его достижение, что делает процесс экономически выгодным.

Таким образом, знание термодинамических (принцип Ле Шателье) и кинетических закономерностей позволяет подобрать оптимальные условия (высокое давление, умеренно высокая температура, использование катализатора и непрерывное удаление продукта) для синтеза аммиака, что обеспечивает его максимальный практический выход.

Ответ: Примером, показывающим, как знание закономерностей протекания химических реакций позволяет получать вещества с максимальным выходом, является промышленный синтез аммиака ($N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$). Это обратимая, экзотермическая реакция, идущая с уменьшением объёма. Для максимального выхода аммиака, основываясь на принципе Ле Шателье и законах химической кинетики, процесс ведут при высоком давлении (смещает равновесие вправо), оптимальной температуре (компромисс между скоростью реакции и равновесным выходом), с использованием катализатора (увеличивает скорость) и постоянным отводом продукта из реакционной смеси (смещает равновесие вправо).