Номер 2, страница 116 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Проверьте свои знания. Параграф 22. Химическая технология. Производство аммиака и метанола. Глава 4. Химия и современное общество - номер 2, страница 116.

Условие.

2. Обоснуйте в соответствии с принципом Ле Шателье смещение равновесия в реакциях синтеза аммиака и метанола в сторону образования продуктов реакции.

Решение.

Решение 2.

Принцип Ле Шателье гласит, что если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать внешнее воздействие (изменить давление, температуру или концентрацию веществ), то равновесие сместится в направлении, которое ослабляет это воздействие. Применим этот принцип для обоснования смещения равновесия в сторону продуктов в реакциях синтеза аммиака и метанола.

Синтез аммиака

Реакция синтеза аммиака является обратимой, экзотермической и протекает с уменьшением объема:

$N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) \quad \Delta H < 0$

Для смещения химического равновесия в сторону образования продукта (аммиака, $NH_3$) необходимо:

1. Повысить давление. В левой части уравнения находятся 4 моля газообразных веществ (1 моль $N_2$ и 3 моля $H_2$), а в правой — 2 моля газообразного вещества ($NH_3$). Согласно принципу Ле Шателье, повышение давления в системе смещает равновесие в сторону реакции, ведущей к уменьшению общего числа молей газов, то есть в сторону образования аммиака.

2. Понизить температуру. Прямая реакция синтеза аммиака является экзотермической, то есть протекает с выделением теплоты. Понижение температуры смещает равновесие в сторону экзотермической реакции, что также способствует образованию аммиака. Однако на практике процесс ведут при повышенной температуре (400–500 °C), так как это необходимо для достижения приемлемой скорости реакции, используя катализатор.

3. Изменить концентрации. Увеличение концентрации исходных веществ ($N_2$ и $H_2$) и/или удаление продукта ($NH_3$) из реакционной смеси смещает равновесие вправо, в сторону образования аммиака. На производстве это достигается непрерывным отводом аммиака (путем его сжижения) и возвратом непрореагировавших газов в реактор.

Синтез метанола

Реакция синтеза метанола также является обратимой, экзотермической и протекает с уменьшением объема:

$CO(г) + 2H_2(г) \rightleftharpoons CH_3OH(г) \quad \Delta H < 0$

Для смещения химического равновесия в сторону образования продукта (метанола, $CH_3OH$) необходимо:

1. Повысить давление. В левой части уравнения находятся 3 моля газообразных веществ (1 моль $CO$ и 2 моля $H_2$), а в правой — 1 моль газообразного вещества ($CH_3OH$). Повышение давления сдвигает равновесие в сторону меньшего числа молей газа, то есть вправо, в сторону образования метанола.

2. Понизить температуру. Реакция синтеза метанола экзотермическая, поэтому понижение температуры, согласно принципу Ле Шателье, будет смещать равновесие в сторону продуктов. Как и в случае с аммиаком, на практике используют компромиссную повышенную температуру (250–300 °C) и катализатор для увеличения скорости реакции.

3. Изменить концентрации. Повышение концентрации реагентов ($CO$ и $H_2$) или удаление метанола из системы будет способствовать смещению равновесия в сторону продуктов.

Ответ: В соответствии с принципом Ле Шателье, смещение равновесия в реакциях синтеза аммиака и метанола в сторону образования продуктов достигается за счет: 1) повышения давления, так как обе реакции протекают с уменьшением числа молей газов; 2) понижения температуры, так как обе реакции являются экзотермическими (хотя на практике используются компромиссные повышенные температуры для увеличения скорости); 3) увеличения концентрации реагентов и/или удаления продуктов из зоны реакции.