Номер 5, 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 5, страница 223.

Условие.

5. Вычислите, какое количество азота и водорода практически расходуется для производства 1 т аммиака.

Решение.

Решение 2.

Дано:

$m(NH_3) = 1 \text{ т}$

Перевод в систему СИ:

$m(NH_3) = 1 \text{ т} = 1000 \text{ кг}$

Найти:

$m(N_2) - ?$
$m(H_2) - ?$

Решение:

Для решения задачи сначала запишем уравнение реакции синтеза аммиака. Слово "практически" в условии подразумевает реальный производственный процесс. Однако, поскольку практический выход продукта не указан, мы проведем расчет для идеального случая со 100% выходом, то есть рассчитаем теоретически необходимое (стехиометрическое) количество реагентов.

1. Запишем уравнение реакции синтеза аммиака (процесс Габера-Боша):

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

2. Рассчитаем молярные массы веществ. Для удобства будем использовать единицы кг/кмоль, так как масса продукта дана в килограммах.

Молярная масса аммиака ($NH_3$): $M(NH_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17 \text{ кг/кмоль}$

Молярная масса азота ($N_2$): $M(N_2) = 2 \cdot 14 = 28 \text{ кг/кмоль}$

Молярная масса водорода ($H_2$): $M(H_2) = 2 \cdot 1 = 2 \text{ кг/кмоль}$

3. Найдем количество вещества (в киломолях) для 1000 кг аммиака:

$n(NH_3) = \frac{m(NH_3)}{M(NH_3)} = \frac{1000 \text{ кг}}{17 \text{ кг/кмоль}} = \frac{1000}{17} \text{ кмоль}$

4. Согласно уравнению реакции, соотношение количеств веществ реагентов и продуктов составляет $n(N_2) : n(H_2) : n(NH_3) = 1 : 3 : 2$. Используем эту пропорцию для расчета количеств азота и водорода.

Количество вещества азота:

$n(N_2) = n(NH_3) \cdot \frac{1}{2} = \frac{1000}{17} \text{ кмоль} \cdot \frac{1}{2} = \frac{500}{17} \text{ кмоль}$

Количество вещества водорода:

$n(H_2) = n(NH_3) \cdot \frac{3}{2} = \frac{1000}{17} \text{ кмоль} \cdot \frac{3}{2} = \frac{1500}{17} \text{ кмоль}$

5. Теперь рассчитаем массы азота и водорода, необходимые для реакции:

Масса азота:

$m(N_2) = n(N_2) \cdot M(N_2) = \frac{500}{17} \text{ кмоль} \cdot 28 \text{ кг/кмоль} = \frac{14000}{17} \text{ кг} \approx 823.5 \text{ кг}$

Масса водорода:

$m(H_2) = n(H_2) \cdot M(H_2) = \frac{1500}{17} \text{ кмоль} \cdot 2 \text{ кг/кмоль} = \frac{3000}{17} \text{ кг} \approx 176.5 \text{ кг}$

Проверка: $m(N_2) + m(H_2) \approx 823.5 \text{ кг} + 176.5 \text{ кг} = 1000 \text{ кг}$, что равно исходной массе аммиака, подтверждая правильность расчетов в рамках закона сохранения массы.

Ответ: для производства 1 т аммиака практически расходуется приблизительно 823,5 кг азота и 176,5 кг водорода.