Номер 7, страница 134 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 17. Научные принципы организации химического производства. Глава 4. Научные основы химического производства - номер 7, страница 134.

Условие.

7. Как можно ускорить реакцию окисления сернистого газа в серный ангидрид?

Решение.

Решение 2.

Реакция окисления сернистого газа (диоксида серы, $SO_2$) в серный ангидрид (триоксид серы, $SO_3$) является центральной в производстве серной кислоты контактным способом. Уравнение этой реакции имеет следующий вид:

$2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)} + Q$

Данная реакция является обратимой, экзотермической (протекает с выделением теплоты, $Q > 0$), каталитической и гетерогенной (реагирующие вещества находятся в газовой фазе, а катализатор — в твердой).

Решение

Скорость химической реакции зависит от ряда факторов. Чтобы ускорить процесс окисления $SO_2$ в $SO_3$, можно использовать следующие методы, основанные на общих законах химической кинетики и принципе Ле Шателье.

1. Использование катализатора

В отсутствие катализатора реакция протекает крайне медленно. Применение катализатора — это основной способ её ускорения. Катализатор создает альтернативный маршрут реакции с более низкой энергией активации, что резко увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакции, позволяя системе быстрее достичь состояния равновесия. В промышленности в качестве катализатора чаще всего применяют оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), нанесенный на пористый инертный носитель (например, силикагель).

2. Повышение температуры

Согласно правилу Вант-Гоффа, увеличение температуры приводит к росту скорости реакции, так как возрастает кинетическая энергия молекул и, соответственно, частота и эффективность их столкновений. Однако, так как реакция окисления $SO_2$ является экзотермической, повышение температуры, согласно принципу Ле Шателье, смещает химическое равновесие влево, в сторону реагентов, что уменьшает равновесный выход $SO_3$. Поэтому на практике выбирают оптимальную температуру (обычно в пределах 400–500 °C), которая является компромиссом между высокой скоростью реакции и достаточно большим выходом продукта.

3. Повышение давления

Эта реакция протекает с уменьшением объема, так как из 3 моль газообразных реагентов ($2$ моль $SO_2$ и $1$ моль $O_2$) образуется 2 моль газообразного продукта ($SO_3$). Повышение давления в системе приводит к увеличению концентрации реагирующих газов, что, согласно закону действующих масс, напрямую увеличивает скорость реакции. Кроме того, в соответствии с принципом Ле Шателье, повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего объема, то есть вправо, в сторону образования $SO_3$. Таким образом, увеличение давления благоприятно сказывается как на скорости реакции, так и на выходе продукта.

4. Увеличение концентрации реагентов

В соответствии с законом действующих масс, скорость прямой реакции прямо пропорциональна концентрациям исходных веществ. Следовательно, увеличение концентрации сернистого газа ($SO_2$) или кислорода ($O_2$) приведет к ускорению реакции. На практике это можно осуществить, например, используя для окисления не обычный воздух, а воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород.

Ответ:

Ускорить реакцию окисления сернистого газа в серный ангидрид можно за счет: использования катализатора (например, оксида ванадия(V) $V_2O_5$); повышения давления; увеличения концентрации реагентов ($SO_2$ и $O_2$); а также повышения температуры до оптимального уровня (400–500 °C), который является компромиссом между высокой скоростью реакции и приемлемым равновесным выходом продукта.