Номер 5, страница 116 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Химия и современное общество. Параграф 22. Химическая технология. Производство аммиака и метанола. Примените свои знания - номер 5, страница 116.

Условие.

5. Какие признаки классификации химических реакций вы знаете? Охарактеризуйте признаки реакции синтеза аммиака и метанола. Сравните их между собой.

Решение.

Решение 2.

Признаки классификации химических реакций

Химические реакции классифицируют по нескольким основным признакам:

• По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции:
  • Реакции соединения: из нескольких веществ образуется одно более сложное вещество. Например, $A + B \rightarrow AB$.
  • Реакции разложения: из одного сложного вещества образуются два или более новых веществ. Например, $AB \rightarrow A + B$.
  • Реакции замещения: атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. Например, $A + BC \rightarrow AC + B$.
  • Реакции обмена: два сложных вещества обмениваются своими составными частями. Например, $AB + CD \rightarrow AD + CB$.
• По тепловому эффекту:
  • Экзотермические: протекают с выделением теплоты ($ \Delta H < 0 $).
  • Эндотермические: протекают с поглощением теплоты ($ \Delta H > 0 $).
• По изменению степеней окисления химических элементов:
  • Окислительно-восстановительные (ОВР): реакции, в которых хотя бы один химический элемент изменяет свою степень окисления.
  • Реакции, протекающие без изменения степеней окисления: к ним относятся, например, реакции ионного обмена и некоторые реакции разложения и соединения.
• По участию катализатора:
  • Каталитические: протекают только в присутствии катализатора (вещества, которое ускоряет реакцию, но само в ней не расходуется).
  • Некаталитические: протекают без катализатора.
• По направлению протекания (обратимости):
  • Обратимые: протекают одновременно в прямом и в обратном направлении при данных условиях ($ \rightleftharpoons $).
  • Необратимые: протекают практически до конца в одном направлении ($ \rightarrow $).
• По фазовому составу (агрегатному состоянию) реагентов:
  • Гомогенные: все реагирующие вещества находятся в одной фазе (например, в газовой или в растворе).
  • Гетерогенные: реагирующие вещества находятся в разных фазах (например, твердое вещество и газ, жидкость и газ).

Ответ: Существуют следующие признаки классификации химических реакций: по числу и составу реагентов и продуктов (соединение, разложение, замещение, обмен), по тепловому эффекту (экзо- и эндотермические), по изменению степеней окисления (окислительно-восстановительные и не окислительно-восстановительные), по участию катализатора (каталитические и некаталитические), по обратимости (обратимые и необратимые), по агрегатному состоянию реагентов (гомогенные и гетерогенные).

Характеристика и сравнение реакций синтеза аммиака и метанола

Проанализируем реакции синтеза аммиака и метанола по указанным выше признакам и сравним их.

1. Синтез аммиака (процесс Габера-Боша)

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

Характеристика реакции:

• Тип реакции: соединение (из двух простых веществ образуется одно сложное).
• Тепловой эффект: экзотермическая (протекает с выделением тепла, $ \Delta H = -92,4 \text{ кДж/моль} $).
• Изменение степеней окисления: окислительно-восстановительная. Азот изменяет степень окисления с 0 до -3 ($N^0 \rightarrow N^{-3}$), являясь окислителем. Водород изменяет степень окисления с 0 до +1 ($H^0 \rightarrow H^{+1}$), являясь восстановителем.
• Участие катализатора: каталитическая. Проводится на твердом гетерогенном катализаторе (пористое железо с примесями оксидов).
• Обратимость: обратимая. В системе устанавливается химическое равновесие.
• Фазовый состав: гетерогенная, так как реагенты и продукт находятся в газовой фазе, а катализатор — в твердой.

2. Синтез метанола

Уравнение реакции: $CO(г) + 2H_2(г) \rightleftharpoons CH_3OH(г)$

Характеристика реакции:

• Тип реакции: соединение (из двух веществ, простого и сложного, образуется одно сложное).
• Тепловой эффект: экзотермическая ($ \Delta H = -90,8 \text{ кДж/моль} $).
• Изменение степеней окисления: окислительно-восстановительная. Углерод изменяет степень окисления с +2 до -2 ($C^{+2} \rightarrow C^{-2}$), являясь окислителем. Водород изменяет степень окисления с 0 до +1 ($H^0 \rightarrow H^{+1}$), являясь восстановителем.
• Участие катализатора: каталитическая. Проводится на твердом гетерогенном катализаторе (например, $ZnO/Cr_2O_3$ или $Cu/ZnO/Al_2O_3$).
• Обратимость: обратимая.
• Фазовый состав: гетерогенная (газообразные реагенты и продукт, твердый катализатор).

3. Сравнение реакций

Сходства:

• Обе реакции относятся к типу соединения.
• Обе экзотермические.
• Обе являются окислительно-восстановительными.
• Обе каталитические, причем в обоих случаях используется гетерогенный катализ.
• Обе реакции обратимые.
• Обе реакции гетерогенные (с точки зрения фазового состава всех участников процесса, включая катализатор).

Различия:

• Состав реагентов и продуктов: в синтезе аммиака реагенты — простые вещества ($N_2$ и $H_2$), в синтезе метанола — простое ($H_2$) и сложное ($CO$). Продукты также различны: неорганическое вещество аммиак ($NH_3$) и органическое — метанол ($CH_3OH$).
• Катализаторы: используются принципиально разные каталитические системы.
• Условия проведения: несмотря на общие принципы (высокое давление, повышенная температура), конкретные оптимальные параметры процессов (T, p) различаются.

Ответ: Реакции синтеза аммиака и метанола имеют много общего: обе являются обратимыми, каталитическими, гетерогенными, экзотермическими, окислительно-восстановительными реакциями соединения. Ключевые различия лежат в химической природе реагентов и продуктов, а также в используемых катализаторах и конкретных технологических параметрах процессов.