Проблема, страница 101 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Задания в параграфе. Параграф 14. Обратимость химических реакций. Химическое равновесие. Глава 4. Химические реакции - страница 101.

Условие.

Проблема. Почему же при промышленном получении аммиака систему не охлаждают? Ведь в этом случае выход аммиака будет выше.

Решение.

Решение 2.

Решение

Вопрос касается выбора оптимальных условий для промышленного синтеза аммиака, известного как процесс Габера-Боша. Реакция синтеза аммиака из азота и водорода является обратимой и экзотермической (протекает с выделением тепла):

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

Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия экзотермической реакции в сторону продуктов (в данном случае, аммиака), необходимо понижать температуру. Таким образом, с точки зрения термодинамики, охлаждение системы действительно привело бы к увеличению равновесного выхода аммиака.

Однако в промышленном производстве важен не только теоретически возможный выход продукта, но и скорость, с которой этот продукт образуется (кинетический фактор). Здесь возникает конфликт между термодинамикой и кинетикой:

1. Низкая температура: Хотя она и способствует высокому выходу аммиака, при низкой температуре скорость химической реакции будет чрезвычайно мала. Это связано с тем, что молекулы азота ($N_2$) имеют очень прочную тройную связь, для разрыва которой требуется высокая энергия активации. При низких температурах молекулы реагентов обладают недостаточной кинетической энергией, и реакция, даже в присутствии катализатора, протекает настолько медленно, что становится экономически нецелесообразной.

2. Высокая температура: Она значительно увеличивает скорость реакции, но одновременно смещает равновесие влево, в сторону исходных веществ (азота и водорода), что приводит к снижению выхода аммиака.

Поэтому в промышленности выбирают компромиссные, или оптимальные, условия. Процесс синтеза аммиака проводят при температуре около 400–500 °C. Эта температура достаточно высока, чтобы обеспечить экономически приемлемую скорость реакции (особенно с использованием катализатора), и в то же время достаточно низка, чтобы равновесный выход аммиака оставался на приемлемом уровне (10–30% за один проход через реактор). Для дополнительного увеличения выхода продукта также используют высокое давление (15-35 МПа) и постоянную циркуляцию непрореагировавших газов.

Ответ: Систему при промышленном получении аммиака не охлаждают до низких температур, потому что, несмотря на теоретическое увеличение выхода продукта, скорость реакции становится слишком низкой. Это делает процесс экономически невыгодным. Вместо этого используется компромиссная температура (400–500 °C), которая обеспечивает оптимальное сочетание скорости реакции и выхода аммиака.