Номер 4, страница 17, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4. Почему выход аммиака на установках синтеза не достигает 100%? Назовите две причины.

Решение

Выход аммиака в промышленных установках не достигает 100% по двум основным причинам, которые связаны с природой самой химической реакции синтеза.

1. Обратимость химической реакции

Синтез аммиака из азота и водорода является обратимой реакцией. Это означает, что одновременно с образованием аммиака (прямая реакция) происходит его разложение обратно на исходные вещества – азот и водород (обратная реакция). Процесс описывается уравнением:

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

В любой обратимой реакции система стремится к состоянию химического равновесия, при котором скорости прямой и обратной реакций равны. В состоянии равновесия в реакционной смеси всегда присутствуют как продукты (аммиак), так и исходные вещества (азот и водород). Таким образом, полное, 100%-ное превращение исходных реагентов в продукт принципиально невозможно, так как реакция не идет до конца в одном направлении.

2. Компромисс между скоростью реакции и смещением равновесия

Прямая реакция синтеза аммиака является экзотермической (протекает с выделением тепла) и идет с уменьшением объема (из 4 моль газов образуется 2 моль газа). Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону образования аммиака, то есть для увеличения выхода, необходимо повышать давление и понижать температуру.

Однако при понижении температуры резко падает и скорость реакции. При низких температурах, которые термодинамически выгодны для высокого выхода, реакция протекает настолько медленно, что процесс становится экономически нецелесообразным. Поэтому в промышленности синтез ведут при повышенной температуре (обычно 400–500 o C) с использованием катализатора. Эта температура является компромиссной: она достаточно высока, чтобы обеспечить приемлемую скорость реакции, но в то же время она не позволяет равновесию полностью сместиться в сторону продуктов. Таким образом, даже при оптимально подобранных условиях (высокое давление и компромиссная температура), равновесный выход аммиака за один проход через реактор обычно составляет всего 15-25%, что далеко от 100%.

Ответ:

Выход аммиака на установках синтеза не достигает 100% по двум причинам:

1. Реакция синтеза аммиака является обратимой и достигает состояния химического равновесия, при котором в системе всегда присутствуют непрореагировавшие исходные вещества (азот и водород).

2. Промышленные условия синтеза (в частности, температура) являются компромиссом между скоростью реакции и положением равновесия. Высокая температура, необходимая для достижения приемлемой скорости реакции, одновременно снижает равновесный выход продукта, так как синтез аммиака – экзотермический процесс.