Номер 5, страница 70 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава II. Химические реакции. Параграф 12. Обратимость химических реакций. Химическое равновесие и способы его смещения. Примените свои знания - номер 5, страница 70.

Условие.

5. Почему вопреки принципу Ле Шателье температуру процесса в синтезе аммиака оставляют достаточно высокой?

Решение.

Решение 2.

Этот вопрос касается одного из классических примеров технологического компромисса в химической промышленности — процесса синтеза аммиака (процесс Габера-Боша).

Реакция синтеза аммиака из азота и водорода является обратимой и экзотермической, то есть протекает с выделением тепла. Уравнение реакции: $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + Q$ (где $Q$ – тепловой эффект, $\Delta H < 0$).

1. Позиция химического равновесия (Принцип Ле Шателье):

Согласно принципу Ле Шателье, если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие, то равновесие смещается в направлении, которое ослабляет это воздействие. Для экзотермической реакции повышение температуры смещает равновесие влево, в сторону исходных веществ (чтобы поглотить избыток тепла), а понижение температуры — вправо, в сторону продуктов (чтобы восполнить недостаток тепла). Таким образом, с точки зрения термодинамики, для получения максимального выхода аммиака процесс следует проводить при как можно более низкой температуре.

2. Кинетика процесса (Скорость реакции):

С другой стороны, существует кинетический фактор. Скорость химической реакции сильно зависит от температуры: чем выше температура, тем выше скорость реакции. Это связано с тем, что при более высокой температуре молекулы обладают большей кинетической энергией, чаще и сильнее сталкиваются, и большее число столкновений приводит к химическому превращению. Реакция синтеза аммиака имеет высокую энергию активации, в частности, из-за необходимости разрыва очень прочной тройной связи в молекуле азота ($N \equiv N$). Даже при использовании катализатора (обычно на основе железа) при низких температурах скорость этой реакции ничтожно мала. Процесс шёл бы так медленно, что был бы абсолютно нерентабельным.

3. Технологический компромисс:

В промышленности необходимо найти "золотую середину" — условия, при которых и выход продукта, и скорость его образования будут экономически оправданы.

• При низкой температуре равновесный выход аммиака высок, но скорость реакции крайне низкая.
• При высокой температуре скорость реакции велика, но равновесный выход аммиака значительно падает.

Поэтому в промышленности выбирают компромиссную, оптимальную температуру — около 400–500 °C. При этой температуре скорость реакции становится достаточно высокой для рентабельного производства, а равновесный выход продукта, хоть и не максимальный, но приемлемый. Чтобы компенсировать негативное влияние высокой температуры на равновесие, процесс ведут при очень высоком давлении (15-35 МПа и выше), что, согласно тому же принципу Ле Шателье, смещает равновесие вправо, в сторону продукта, так как реакция идет с уменьшением объема (из 4 моль газов образуется 2 моль газа).

Ответ: Температуру в процессе синтеза аммиака оставляют достаточно высокой (400–500 °C) вопреки принципу Ле Шателье, так как это необходимо для достижения экономически приемлемой скорости реакции. При более низких температурах, благоприятных для высокого выхода продукта, реакция протекает настолько медленно, что становится нерентабельной. Таким образом, рабочая температура является компромиссом между термодинамическими требованиями (высокий выход) и кинетическими факторами (высокая скорость).