Номер 3, страница 98 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Вопросы и задания. Параграф 13. Скорость химической реакции. Катализ. Глава 4. Химические реакции - номер 3, страница 98.

Условие.

3. Приведите примеры каталитических реакций, имеющих важное значение в промышленности.

Решение.

Решение 2.

Каталитические реакции играют ключевую роль в современной химической промышленности, позволяя проводить процессы с высокой скоростью, селективностью и при более мягких условиях, что снижает энергозатраты и повышает экономическую эффективность. Ниже приведены примеры важнейших промышленных каталитических процессов.

Синтез аммиака (процесс Габера-Боша)

Этот процесс является основой для производства азотных удобрений, без которых невозможно современное сельское хозяйство. Аммиак также используется в производстве азотной кислоты, взрывчатых веществ и полимеров.

Реакция заключается в прямом синтезе аммиака из азота и водорода:

$N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + Q$

В качестве катализатора используется пористое железо с добавками (промоторами) оксидов алюминия ($Al_2O_3$), калия ($K_2O$) и кальция ($CaO$). Процесс проводят при температуре $400–500 °C$ и высоком давлении $150–350$ атмосфер.

Ответ: Процесс Габера-Боша для синтеза аммиака ($N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$) с использованием железного катализатора является примером важнейшей промышленной каталитической реакции.

Производство серной кислоты (контактный способ)

Серная кислота — один из самых многотоннажных продуктов химической промышленности. Она применяется в производстве удобрений (суперфосфата), химических волокон, красителей, лекарств, а также в металлургии и нефтепереработке.

Ключевой стадией является каталитическое окисление диоксида серы в триоксид серы:

$2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г) + Q$

Катализатором служит оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), нанесенный на пористый носитель (силикагель). Оптимальные условия процесса: температура около $450–500 °C$ и атмосферное давление. Использование катализатора позволяет достичь высокого выхода продукта ($97–99 \%$).

Ответ: Каталитическое окисление диоксида серы в триоксид ($2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$) на ванадиевом катализаторе — центральная стадия производства серной кислоты.

Каталитический крекинг нефти

Этот процесс позволяет получать из тяжелых нефтяных фракций (мазута, газойля) более ценные легкие продукты, в первую очередь, высокооктановый бензин, а также сырье для нефтехимии (олефины).

В процессе крекинга длинные молекулы углеводородов расщепляются на более короткие. Например, расщепление гексадекана:

$C_{16}H_{34} \rightarrow C_8H_{18} + C_8H_{16}$

В качестве катализаторов используются алюмосиликаты, в частности цеолиты, обладающие высокой активностью и селективностью. Процесс ведут при температуре $450–550 °C$. Каталитический крекинг значительно увеличивает выход бензина из нефти по сравнению с термическим крекингом.

Ответ: Каталитический крекинг — процесс расщепления тяжелых углеводородов нефти на алюмосиликатных катализаторах для получения бензина и другого ценного сырья.

Синтез метанола

Метанол (метиловый спирт) является важным сырьем для химической промышленности. Из него получают формальдегид (для производства пластмасс и смол), уксусную кислоту, растворители, а также используют в качестве компонента моторного топлива.

Метанол синтезируют из оксида углерода(II) и водорода (синтез-газа):

$CO + 2H_2 \rightleftharpoons CH_3OH$

Современный низкотемпературный процесс использует высокоактивный медь-цинк-оксидный катализатор ($CuO/ZnO/Al_2O_3$). Условия синтеза: температура $220–300 °C$ и давление $50–100$ атмосфер.

Ответ: Синтез метанола из синтез-газа ($CO + 2H_2 \rightleftharpoons CH_3OH$) на медьсодержащем катализаторе является крупнотоннажным промышленным процессом.

Гидрирование ненасыщенных соединений

Реакции гидрирования (присоединения водорода) широко используются в промышленности. Одним из ярких примеров является гидрогенизация жидких растительных масел для получения твердых жиров (маргарина).

Процесс заключается в насыщении водородом двойных связей в молекулах ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав масел:

$-CH=CH- + H_2 \xrightarrow{кат.} -CH_2-CH_2-$

В качестве катализаторов обычно применяют мелкодисперсные металлы, такие как никель (например, никель Ренея), платина или палладий. Процесс проводят при повышенной температуре ($150–240 °C$) и давлении водорода.

Ответ: Каталитическое гидрирование растительных масел на никелевых катализаторах для производства маргарина является важным примером в пищевой промышленности.