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

2. Почему аммиак не производят при высоком давлении?

2. Промышленный синтез аммиака из азота и водорода (процесс Габера-Боша) — это обратимая экзотермическая реакция, протекающая с уменьшением объема:

$N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г)$

Согласно принципу Ле Шателье, увеличение давления смещает равновесие вправо, в сторону образования продукта — аммиака. Следовательно, с точки зрения химической термодинамики, чем выше давление, тем больше теоретически возможный выход аммиака.

Однако в промышленности не применяют сверхвысокие давления (обычно процесс ведут при 15-35 МПа, что соответствует примерно 150-350 атмосферам). Это связано с тем, что выбор оптимальных условий является компромиссом между термодинамикой, кинетикой, экономикой и безопасностью. Использование чрезмерно высоких давлений нецелесообразно по следующим причинам:

Экономические факторы

Основная причина — высокая стоимость. Дальнейшее повышение давления приводит к резкому удорожанию производства, что делает его нерентабельным. Это связано с двумя основными статьями расходов:

1. Энергетические затраты. Для сжатия азотно-водородной смеси до очень высоких давлений требуются мощные компрессоры, потребляющие огромное количество электроэнергии. Затраты на сжатие растут нелинейно с повышением давления.

2. Капитальные затраты. Создание и обслуживание оборудования (реакторов, трубопроводов, теплообменников), способного выдерживать сверхвысокое давление при высоких температурах, требует использования особо прочных, толстостенных и, следовательно, очень дорогих материалов и сложных конструкций.

Технические факторы и безопасность

1. Прочность материалов. При высоких температурах и давлениях водород обладает высокой проникающей способностью. Он может диффундировать в сталь, из которой изготовлено оборудование, и вызывать так называемое водородное охрупчивание. Металл теряет пластичность и прочность, что может привести к внезапному разрушению реактора. Борьба с этим явлением требует применения специальных, дорогостоящих легированных сталей.

2. Обеспечение безопасности. Работа с газами под сверхвысоким давлением чрезвычайно опасна. Любая разгерметизация установки может привести к мощному взрыву с катастрофическими последствиями. Обеспечение необходимого уровня герметичности и безопасности требует сложных и дорогостоящих инженерных систем, что дополнительно увеличивает стоимость производства.

Таким образом, применяемое в промышленности давление является оптимальным компромиссом, который позволяет достичь достаточно высокого выхода аммиака и скорости реакции, не делая при этом процесс чрезмерно дорогим и опасным.

Ответ: Аммиак не производят при сверхвысоком давлении, потому что это экономически невыгодно из-за огромных затрат энергии на сжатие газов и на создание и обслуживание дорогостоящего сверхпрочного оборудования. Кроме того, это технически сложно и чрезвычайно опасно из-за риска разрушения аппаратуры (водородное охрупчивание) и взрыва.