Номер 7, страница 17, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

7. Важным химическим процессом является процесс Габера — синтез аммиака.

а) Какие реагенты необходимы для производства аммиака?

б) Напишите уравнение реакции данного процесса. Является ли этот процесс необратимым?

в) Зачем азот и водород пропускают через железо?

г) Какие оптимальные условия необходимы для данного процесса?

д) Каким выбирают давление для этой реакции? Высокое, среднее или низкое? Почему?

а) Для производства аммиака в процессе Габера необходимы простые вещества — азот ($N_2$) и водород ($H_2$). Азот обычно получают фракционной перегонкой сжиженного воздуха, а водород производят, как правило, из природного газа (метана) путем паровой конверсии.

Ответ: Для производства аммиака необходимы газообразные азот и водород.

б) Уравнение реакции синтеза аммиака:

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

Знак обратимости ($\rightleftharpoons$) показывает, что реакция протекает одновременно в двух направлениях: прямом (синтез аммиака) и обратном (разложение аммиака на исходные вещества). Следовательно, этот процесс является обратимым, а не необратимым.

Ответ: Уравнение реакции $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$. Процесс является обратимым.

в) Азот и водород пропускают через железо, потому что железо выполняет функцию катализатора. Катализатор — это вещество, которое значительно ускоряет химическую реакцию, но само в ней не расходуется. В промышленном синтезе аммиака используется пористое железо с добавками оксидов алюминия, калия и кальция, которые повышают его активность и стабильность. Без катализатора скорость взаимодействия азота и водорода при приемлемых температурах ничтожно мала, что делает процесс экономически нецелесообразным.

Ответ: Железо используется в качестве катализатора для ускорения реакции.

г) Оптимальные условия для процесса Габера являются компромиссными, так как необходимо учитывать и скорость реакции, и положение химического равновесия для достижения максимальной экономической эффективности. Основные условия:

1. Температура: 400–500 o C. Так как прямая реакция экзотермическая (с выделением тепла), по принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону продукта выгодны низкие температуры. Однако при низких температурах скорость реакции очень мала. Поэтому выбирается средняя температура, обеспечивающая приемлемую скорость реакции при достаточно высоком выходе продукта.

2. Давление: 15–35 МПа (что соответствует примерно 150–350 атмосферам). Высокое давление смещает равновесие в сторону образования аммиака.

3. Катализатор: Использование железного катализатора обязательно для достижения приемлемой скорости реакции.

4. Циркуляция: Непрореагировавшие газы после удаления из смеси аммиака возвращаются в реактор. Это позволяет повысить общий выход продукта.

Ответ: Оптимальными условиями являются температура 400–500 o C, давление 150–350 атм и использование железного катализатора.

д) Для этой реакции выбирают высокое давление.

Почему: Это объясняется принципом Ле Шателье. Рассмотрим уравнение реакции:

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

В левой части уравнения суммарное количество молей газа составляет $1+3=4$ моль, а в правой — $\text{2}$ моль. Реакция протекает с уменьшением числа молей газообразных веществ. Согласно принципу Ле Шателье, повышение давления смещает химическое равновесие в сторону, где объём (и число молей газа) меньше. В данном случае — в сторону образования аммиака, что увеличивает его выход. Также высокое давление увеличивает концентрацию реагентов, что повышает скорость реакции.

Ответ: Выбирают высокое давление, так как реакция идет с уменьшением числа молей газов, и согласно принципу Ле Шателье, повышение давления смещает равновесие в сторону образования продукта (аммиака), увеличивая его выход.