Номер 2, страница 223 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Вопросы и задания. Параграф 28. Современное химическое производство. Глово 7. Химия в нашей жизни - номер 2, страница 223.

Условие.

2. Какие общие закономерности экзотермических, обратимых, гетерогенно-каталитических реакций используют при выборе оптимальных условий управления промышленным синтезом аммиака?

Решение.

Решение 2.

Промышленный синтез аммиака, описываемый уравнением $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + Q$ (где $Q = 92,4 \text{ кДж/моль}$), является классическим примером, на котором рассматривают общие закономерности управления химическими процессами. Для выбора оптимальных условий этого процесса используются принципы, вытекающие из его ключевых характеристик: он является экзотермическим, обратимым и гетерогенно-каталитическим.

Во-первых, так как реакция экзотермическая и обратимая, для смещения равновесия в сторону продукта (аммиака) согласно принципу Ле Шателье необходимо понижать температуру. Однако при низких температурах скорость реакции становится слишком малой для промышленного применения. Кроме того, используемый катализатор эффективен лишь при достаточном нагреве (400–500 °C). Поэтому на практике выбирают компромиссную температуру, которая обеспечивает и приемлемую скорость реакции, и экономически оправданный равновесный выход аммиака.

Во-вторых, реакция протекает с уменьшением числа молей газа (из 4 моль реагентов образуется 2 моль продукта). В соответствии с тем же принципом Ле Шателье, повышение давления смещает равновесие в сторону образования аммиака. Высокое давление также увеличивает концентрацию реагентов, что положительно сказывается на скорости реакции. По этой причине синтез ведут при высоких давлениях (15–100 МПа), находя технико-экономический баланс между стоимостью оборудования и увеличением выхода продукта.

В-третьих, процесс является гетерогенно-каталитическим. Реакция между очень прочными молекулами азота и водорода протекает крайне медленно. Использование твёрдого катализатора (пористого железа с промоторами) позволяет многократно ускорить достижение равновесия. Катализатор не влияет на положение равновесия, но позволяет проводить процесс при более низких температурах, что, как указано выше, выгодно с точки зрения термодинамики.

Наконец, для максимизации выхода продукта используется принцип непрерывного смещения равновесия. Продукт реакции — аммиак — постоянно удаляется из реакционной смеси путем его сжижения при охлаждении (температура кипения аммиака намного выше, чем у азота и водорода). Непрореагировавшие газы возвращаются в начало процесса (циркуляционный цикл), что позволяет добиться почти стопроцентной конверсии исходных веществ.

Ответ:

При выборе оптимальных условий промышленного синтеза аммиака используются следующие общие закономерности экзотермических, обратимых, гетерогенно-каталитических реакций:

1. Влияние температуры: Поскольку реакция экзотермическая, для смещения равновесия вправо (по принципу Ле Шателье) требуется низкая температура. Однако для достижения достаточной скорости реакции и активации катализатора необходима высокая температура. Поэтому выбирается компромиссная, оптимальная температура (400–500 °C).

2. Влияние давления: Реакция идет с уменьшением числа молей газов, поэтому повышение давления смещает равновесие в сторону продукта и увеличивает скорость реакции. Процесс ведут при высоком давлении (15–100 МПа).

3. Применение катализатора: Катализатор (гетерогенный, твёрдый) необходим для увеличения скорости реакции, что позволяет проводить процесс при более низких и термодинамически выгодных температурах.

4. Смещение равновесия: Для увеличения общего выхода продукта равновесие непрерывно смещают вправо путем удаления аммиака из зоны реакции (конденсацией) и возврата непрореагировавших газов в цикл.