Номер 4, страница 157 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 22. Катализ и катализаторы - номер 4, страница 157.

Условие.

4. Приведите по три примера промышленных синтезов органических и неорганических веществ, в которых используются катализаторы. Назовите эти катализаторы и отнесите их к одному из типов, указанных в параграфе.

Решение.

Решение 2.

Промышленные синтезы неорганических веществ

1. Синтез аммиака (процесс Габера-Боша). Это один из важнейших промышленных процессов, используемый для производства азотных удобрений. Реакция протекает при высоких температуре ($400-500$ °C) и давлении ($15-25$ МПа).
   Уравнение реакции: $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г)$.
   Катализатор: пористое железо (Fe) с добавками (промоторами) оксидов калия ($K_2O$), алюминия ($Al_2O_3$) и кальция ($CaO$).
   Тип катализа: гетерогенный, так как катализатор находится в твердой фазе, а реагенты – в газообразной.

   Ответ: Синтез аммиака, катализатор - пористое железо (Fe) с промоторами, гетерогенный катализ.

2. Окисление диоксида серы в триоксид серы (ключевая стадия контактного способа производства серной кислоты). Триоксид серы затем поглощается концентрированной серной кислотой с образованием олеума.
   Уравнение реакции: $2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г)$.
   Катализатор: оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), нанесенный на пористый носитель, например, диоксид кремния ($SiO_2$).
   Тип катализа: гетерогенный, так как катализатор (твердое вещество) и реагенты (газы) находятся в разных фазах.

   Ответ: Производство серной кислоты (окисление $SO_2$), катализатор - оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), гетерогенный катализ.

3. Окисление аммиака (первая стадия производства азотной кислоты по методу Оствальда). Полученный оксид азота(II) далее окисляется до оксида азота(IV) и реагирует с водой.
   Уравнение реакции: $4NH_3(г) + 5O_2(г) \rightarrow 4NO(г) + 6H_2O(г)$.
   Катализатор: платино-родиевая сетка (сплав платины Pt с 5-10% родия Rh).
   Тип катализа: гетерогенный, так как катализатор (твердая сетка) и реагенты (газы) находятся в разных агрегатных состояниях.

   Ответ: Производство азотной кислоты (окисление $NH_3$), катализатор - платино-родиевая сетка, гетерогенный катализ.

Промышленные синтезы органических веществ

1. Синтез метанола из синтез-газа (смеси CO и H₂). Метанол является важным растворителем и сырьем для дальнейших химических синтезов, например, формальдегида и уксусной кислоты.
   Уравнение реакции: $CO(г) + 2H_2(г) \rightleftharpoons CH_3OH(г)$.
   Катализатор: смесь оксидов меди(II) и цинка ($CuO-ZnO$) на носителе из оксида алюминия ($Al_2O_3$).
   Тип катализа: гетерогенный, так как катализатор твердый, а реагенты – газообразные.

   Ответ: Синтез метанола, катализатор - смесь $CuO-ZnO/Al_2O_3$, гетерогенный катализ.

2. Гидрирование (гидрогенизация) растительных масел для получения твердых жиров (маргарина). В этом процессе жидкие ненасыщенные жиры (содержащие двойные связи $C=C$ в углеводородных цепях) превращаются в твердые насыщенные.
   Схематическое уравнение реакции: $R-CH=CH-R' + H_2 \rightarrow R-CH_2-CH_2-R'$.
   Катализатор: мелкодисперсный никель (никель Ренея), также могут использоваться платина (Pt) или палладий (Pd).
   Тип катализа: гетерогенный. Реагенты - жидкое масло и газообразный водород, катализатор - твердое вещество.

   Ответ: Производство маргарина (гидрирование жиров), катализатор - никель (Ni), гетерогенный катализ.

3. Окисление этилена в ацетальдегид (Вакер-процесс). Ацетальдегид используется в производстве уксусной кислоты, бутадиена и других органических продуктов.
   Уравнение реакции: $2CH_2=CH_2(г) + O_2(г) \xrightarrow{PdCl_2, CuCl_2, H_2O} 2CH_3CHO(ж)$.
   Катализатор: водный раствор хлорида палладия(II) ($PdCl_2$) и хлорида меди(II) ($CuCl_2$) в качестве сокатализатора.
   Тип катализа: гомогенный, так как каталитический комплекс находится в той же (жидкой) фазе, что и реакционная среда.

   Ответ: Синтез ацетальдегида (Вакер-процесс), катализатор - раствор $PdCl_2$ и $CuCl_2$, гомогенный катализ.