Вопрос, страница 217 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Задания в параграфе. Параграф 28. Современное химическое производство. Глово 7. Химия в нашей жизни - страница 217.

Условие.

Укажите условия синтеза аммиака.

Решение.

Решение 2.

Промышленный синтез аммиака, известный как процесс Габера-Боша, основан на обратимой реакции взаимодействия азота и водорода. Уравнение этой реакции:

$N_2 (г) + 3H_2 (г) \rightleftharpoons 2NH_3 (г) \quad \Delta H = -92,4 \text{ кДж}$

Реакция является экзотермической (протекает с выделением тепла) и сопровождается уменьшением объема газов (из 4 моль исходных газов образуется 2 моль продукта). Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону образования продукта ($NH_3$) необходимо:

1. Повышать давление.
2. Понижать температуру.

Однако на практике выбирают оптимальные (компромиссные) условия, чтобы добиться не только высокого выхода продукта, но и приемлемой скорости реакции. Для этого применяют следующие условия:

Температура: $400–500 °C$. При более низких температурах скорость реакции слишком мала, даже с катализатором. При более высоких температурах равновесие сильно смещается в сторону исходных веществ, что уменьшает выход аммиака. Выбранный диапазон является компромиссом между скоростью реакции и выходом продукта.

Давление: $15–35$ МПа (мегапаскалей), что соответствует $150–350$ атмосферам. Высокое давление необходимо для смещения равновесия вправо. Дальнейшее увеличение давления экономически нецелесообразно из-за высоких затрат на энергию и создание более прочного оборудования.

Катализатор: Пористое губчатое железо с добавками (промоторами) оксидов алюминия ($Al_2O_3$), калия ($K_2O$), кальция ($CaO$) и кремния ($SiO_2$). Катализатор значительно увеличивает скорость реакции, позволяя проводить процесс при более низких температурах, но не влияет на положение равновесия.

Другие важные условия:
- Непрерывное удаление аммиака из реакционной смеси. Продукты реакции охлаждают, аммиак сжижается и отделяется, а непрореагировавшие азот и водород возвращаются в реактор (принцип циркуляции). Это позволяет сместить равновесие в сторону образования продукта.
- Поддержание стехиометрического соотношения реагентов. Азот и водород подаются в реактор в объемном соотношении $1:3$.

Ответ: Основные условия промышленного синтеза аммиака: температура $400–500 °C$, высокое давление $15–35$ МПа ($150–350$ атм), использование гетерогенного катализатора (пористое железо с промоторами), непрерывное удаление продукта из зоны реакции и поддержание объемного соотношения азота и водорода $1:3$.