Вопрос, страница 214 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Задания в параграфе. Параграф 28. Современное химическое производство. Глово 7. Химия в нашей жизни - страница 214.

Условие.

Повторите из курса 9 и 10 классов материал о химической технологии, производстве серной кислоты, промышленной переработке природных источников углеводородов и синтезе органических соединений.

Решение.

Решение 2.

Производство серной кислоты

Производство серной кислоты ($H_2SO_4$) — один из важнейших процессов в химической промышленности, так как серная кислота является многотоннажным продуктом, используемым для производства удобрений, взрывчатых веществ, лекарств, в нефтепереработке, металлургии и многих других отраслях. Современный основной метод получения серной кислоты — контактный.

Процесс состоит из трёх основных стадий:

1. Получение сернистого газа ($SO_2$). Сырьём для этой стадии могут служить сера, пирит (железный колчедан $FeS_2$), сероводород ($H_2S$) или отходящие газы металлургических производств. Наиболее распространённым является обжиг пирита.

• Сжигание серы: $S + O_2 \rightarrow SO_2$

• Обжиг пирита: $4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 8SO_2$

Полученный газ ("обжиговый газ") содержит примеси (пыль, оксиды мышьяка), которые являются каталитическими ядами. Поэтому перед следующей стадией газ тщательно очищают в системе циклонов, электрофильтров и промывных башен.

2. Каталитическое окисление сернистого газа в серный ангидрид ($SO_3$). Это центральная стадия всего производства. Очищенный и осушенный сернистый газ смешивается с воздухом и поступает в контактный аппарат.

Реакция окисления является обратимой и экзотермической:

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

Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону продукта ($SO_3$) необходимо:

• Понижение температуры. Однако при низкой температуре скорость реакции мала. Поэтому на практике поддерживают оптимальную температуру $450-500$ °C, которая обеспечивает и достаточно высокую скорость, и приемлемый выход продукта.

• Повышение давления. Реакция идёт с уменьшением объёма (3 моль газа → 2 моль газа). Однако выход продукта и так достаточно высок (95-97%) при атмосферном давлении, поэтому использование высокого давления экономически нецелесообразно. Процесс ведут при давлении, близком к атмосферному.

• Использование катализатора для увеличения скорости реакции. В качестве катализатора применяют оксид ванадия(V) ($V_2O_5$) на пористом носителе.

• Увеличение концентрации реагентов. Используется избыток кислорода.

3. Поглощение серного ангидрида ($SO_3$). Прямое растворение $SO_3$ в воде не используется, так как при этом выделяется большое количество теплоты, вода испаряется и образуется устойчивый туман из мельчайших капелек серной кислоты, который трудно сконденсировать.

Поэтому $SO_3$ поглощают концентрированной (98%) серной кислотой в поглотительной башне. При этом образуется олеум — раствор $SO_3$ в безводной серной кислоте.

$SO_3 + H_2SO_4 (конц.) \rightarrow H_2S_2O_7 (олеум)$

Затем олеум разбавляют водой до нужной концентрации серной кислоты.

$H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$

В производстве серной кислоты реализуются важнейшие принципы химической технологии: принцип противотока (в поглотительной башне), использование теплообмена для подогрева исходных веществ за счет тепла продуктов реакции, непрерывность процесса и комплексное использование сырья.

Ответ: Производство серной кислоты — это многостадийный процесс, основанный на окислении сернистого газа в серный ангидрид на ванадиевом катализаторе с последующим поглощением ангидрида концентрированной серной кислотой для получения олеума и его разбавлением до кислоты требуемой концентрации.

Промышленная переработка природных источников углеводородов

К основным природным источникам углеводородов относятся природный и попутный нефтяной газы, нефть и каменный уголь. Их переработка — основа современной энергетики и химической промышленности.

1. Переработка природного и попутного нефтяного газа. Основной компонент природного газа — метан ($CH_4$). Попутный газ, помимо метана, содержит значительные количества его гомологов: этана, пропана, бутана. Переработка заключается в очистке от примесей ($H_2S$, $CO_2$) и разделении на фракции (фракционная перегонка при низких температурах). Полученные углеводороды используются как топливо и ценное химическое сырьё для синтеза пластмасс, каучуков, растворителей.

2. Переработка нефти. Нефть — сложная смесь углеводородов. Её переработка делится на первичную и вторичную.

• Первичная переработка (перегонка или ректификация). Это физический процесс разделения нефти на фракции, основанный на различии температур кипения её компонентов. Процесс проводят в ректификационных колоннах. Основные фракции:

  • Бензиновая фракция (t_кип $40-200$ °C) — топливо для двигателей внутреннего сгорания.

  • Лигроиновая фракция (t_кип $150-250$ °C) — топливо для тракторов, растворитель.

  • Керосиновая фракция (t_кип $180-300$ °C) — топливо для реактивных двигателей, осветительное топливо.

  • Газойлевая фракция (дизельное топливо) (t_кип $250-350$ °C) — топливо для дизельных двигателей.

  • Мазут (остаток после перегонки, t_кип > $350$ °C) — котельное топливо, сырьё для получения смазочных масел, вазелина, парафина, битума (гудрона).

• Вторичная переработка (деструктивная). Это химические процессы, направленные на увеличение выхода более ценных продуктов (например, бензина) и улучшение их качества. Основные процессы:

  • Крекинг — расщепление крупных молекул углеводородов при высокой температуре. При каталитическом крекинге (используются катализаторы, более низкие температуры и давление) получают высококачественный бензин с высоким октановым числом за счет образования разветвленных и ароматических углеводородов. Пример: $C_{16}H_{34} \rightarrow C_8H_{18} + C_8H_{16}$

  • Риформинг — ароматизация и изомеризация углеводородов бензиновых фракций с целью повышения октанового числа. Например, получение бензола из гексана: $C_6H_{14} \rightarrow C_6H_6 + 4H_2$

3. Переработка каменного угля. Основной метод — коксование, т.е. нагревание угля до $1000-1200$ °C без доступа воздуха. Продукты коксования:

• Кокс — твёрдый остаток, в основном углерод; используется в металлургии как восстановитель.

• Коксовый газ — смесь $H_2, CH_4, CO, N_2$; используется как топливо и химическое сырьё.

• Каменноугольная смола — источник для получения ароматических углеводородов (бензол, толуол, нафталин) и других органических веществ.

• Аммиачная вода — раствор аммиака в воде; используется для производства азотных удобрений.

Ответ: Промышленная переработка природных углеводородов включает физические (ректификация нефти) и химические (крекинг, риформинг, коксование угля) методы, позволяющие получать из природного газа, нефти и угля моторные топлива, энергию и сырьё для органического синтеза.

Синтез органических соединений

Промышленный органический синтез — это получение разнообразных органических веществ из доступного сырья (продуктов переработки нефти, газа и угля). Рассмотрим несколько ключевых многотоннажных производств.

1. Синтез метанола ($CH_3OH$). Метанол — важный растворитель и сырьё для производства формальдегида, уксусной кислоты и других веществ. Его получают из синтез-газа (смесь $CO$ и $H_2$), который, в свою очередь, получают конверсией метана или газификацией угля.

$CO + 2H_2 \rightleftharpoons CH_3OH$

Процесс проводят при высоком давлении (5-10 МПа), температуре около 250 °C и на медьсодержащем катализаторе (например, $ZnO/Cr_2O_3$).

2. Синтез полимеров (на примере полиэтилена). Полиэтилен — самый массовый полимер, получаемый полимеризацией этилена ($CH_2=CH_2$), который выделяют из продуктов крекинга нефти.

$n(CH_2=CH_2) \xrightarrow{кат., p, t} (-CH_2-CH_2-)_n$

Существуют два основных способа:

• Полимеризация при высоком давлении и температуре (радикальный механизм), получают полиэтилен низкой плотности (ПЭНП).

• Полимеризация при низком давлении с использованием комплексных металлоорганических катализаторов (катализаторы Циглера-Натты), получают полиэтилен высокой плотности (ПЭВП).

3. Синтез синтетического каучука. Исторически важным является способ Лебедева — получение бутадиена-1,3 из этилового спирта, который получали брожением пищевого сырья.

$2C_2H_5OH \xrightarrow{Al_2O_3/ZnO, 425°C} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2O + H_2$

Далее бутадиен полимеризуют:

$n(CH_2=CH-CH=CH_2) \xrightarrow{Na} (-CH_2-CH=CH-CH_2-)_n$

Современные методы основаны на дегидрировании бутан-бутеновой фракции нефтепереработки.

4. Синтез анилина ($C_6H_5NH_2$). Анилин — основа для производства красителей, лекарств и полимеров. Его получают в две стадии из бензола (продукт риформинга бензина или коксования угля).

• Стадия 1: Нитрование бензола нитрующей смесью ($HNO_3$ и $H_2SO_4$).

  $C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t} C_6H_5NO_2 + H_2O$

• Стадия 2: Восстановление нитробензола (реакция Зинина). В промышленности восстановление проводят водородом на катализаторе (никель, платина).

  $C_6H_5NO_2 + 3H_2 \xrightarrow{Ni, p, t} C_6H_5NH_2 + 2H_2O$

Ответ: Промышленный синтез органических соединений основан на превращении доступных углеводородов из природных источников в более сложные и ценные продукты (спирты, кислоты, мономеры, полимеры, красители) через реакции полимеризации, гидрирования, дегидрирования, окисления, нитрования и другие.