Номер 1, страница 17, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

1. Охарактеризуйте способ получения аммиака в промышленности.

1. Решение

Промышленный способ получения аммиака — это процесс Габера-Боша, который заключается в прямом синтезе аммиака из азота и водорода.

Уравнение реакции, описывающее этот процесс, выглядит следующим образом:

$N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + 92,4 \text{ кДж}$

Данная реакция является обратимой, экзотермической, каталитической и протекает с уменьшением объема газовой смеси.

Для создания оптимальных условий производства и достижения максимального выхода продукта применяются следующие принципы, основанные на принципе Ле Шателье:

Сырье и его подготовка. В качестве сырья используется азотно-водородная смесь в объемном соотношении 1:3. Азот получают из атмосферного воздуха методом фракционной дистилляции. Водород — в основном путем паровой конверсии природного газа (метана, $CH_4$). Полученную смесь газов тщательно очищают от примесей (например, оксида углерода (II), соединений серы), так как они являются каталитическими ядами, снижающими активность катализатора.

Давление. Реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема (из 4 объемов исходных газов образуется 2 объема продукта). Следовательно, согласно принципу Ле Шателье, повышение давления смещает равновесие в сторону образования аммиака. В промышленности процесс проводят при высоком давлении, обычно в диапазоне 150–350 атмосфер (15–35 МПа).

Температура. Реакция является экзотермической, то есть протекает с выделением тепла. Для смещения равновесия в сторону продуктов реакцию следовало бы проводить при как можно более низкой температуре. Однако при низкой температуре скорость реакции очень мала. Поэтому на практике используется компромиссная температура в диапазоне 400–500 o C. Такая температура позволяет достичь приемлемой скорости реакции при сохранении достаточно высокого равновесного выхода аммиака.

Катализатор. Для увеличения скорости реакции при выбранной оптимальной температуре применяют катализатор. Он не смещает химическое равновесие, но значительно ускоряет его достижение. В качестве катализатора используют пористое железо с добавками (промоторами) оксидов калия ($K_2O$), алюминия ($Al_2O_3$), кальция ($CaO$) и др., которые повышают его активность и стабильность.

Принцип циркуляции. Чтобы максимально использовать исходные вещества и постоянно смещать равновесие вправо, процесс организуют по замкнутому циклу. Газовая смесь, выходящая из колонны синтеза, содержит не только аммиак, но и непрореагировавшие азот и водород. Эту смесь охлаждают. Аммиак, имеющий значительно более высокую температуру кипения (–33,4 o C) по сравнению с азотом (–195,8 o C) и водородом (–252,9 o C), конденсируется в жидкость и отделяется. Непрореагировавшие газы смешиваются со свежей порцией азотно-водородной смеси и возвращаются в колонну синтеза. Этот прием называется принципом циркуляции.

Ответ: Промышленный способ получения аммиака (процесс Габера-Боша) характеризуется как прямой каталитический синтез из предварительно очищенной азотно-водородной смеси. Реакция $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г)$ является обратимой, экзотермической и протекает с уменьшением объема. Оптимальные условия для достижения высокого выхода продукта основаны на принципе Ле Шателье: высокое давление (150-350 атм), повышенная компромиссная температура (400-500 o C), использование гетерогенного катализатора (пористое железо с промоторами) и непрерывное удаление аммиака из реакционной зоны путем его сжижения с последующей рециркуляцией (возвратом в цикл) непрореагировавших газов.