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

1. Составьте материальный баланс производства аммиака, полагая, что исходная смесь состоит из водорода и азота в стехиометрическом отношении и что массовая доля выхода аммиака составляет 20% от теоретического выхода аммиака. Расчет ведется на аммиак массой 1 т.

Дано:

Масса полученного аммиака (m_практ.(NH₃)) = 1 т

Выход продукта (η) = 20% = 0,2

Исходные реагенты: азот (N₂) и водород (H₂) в стехиометрическом соотношении.

Перевод в систему СИ:

m_практ.(NH₃) = 1000 кг

Найти:

Составить материальный баланс производства 1 т аммиака.

Решение:

1. Запишем уравнение реакции синтеза аммиака из азота и водорода:

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

2. Определим молярные массы участвующих в реакции веществ. Для расчетов будем использовать округленные значения: M(N) = 14 г/моль, M(H) = 1 г/моль.

Молярная масса азота: $M(N_2) = 2 \cdot 14 = 28$ г/моль (или 28 кг/кмоль)

Молярная масса водорода: $M(H_2) = 2 \cdot 1 = 2$ г/моль (или 2 кг/кмоль)

Молярная масса аммиака: $M(NH_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17$ г/моль (или 17 кг/кмоль)

3. Согласно уравнению реакции, для получения 2 моль аммиака (массой $2 \cdot 17 = 34$ кг) необходимо затратить 1 моль азота (массой 28 кг) и 3 моль водорода (массой $3 \cdot 2 = 6$ кг). Таким образом, массовое соотношение реагентов и продукта составляет:

28 кг $N_2$ + 6 кг $H_2$ → 34 кг $NH_3$

4. По условию, фактическая масса полученного аммиака составляет 1000 кг, а выход продукта (η) равен 20% от теоретически возможного. Это означает, что исходное количество реагентов, поданное в реактор, было способно теоретически произвести большее количество аммиака.

Рассчитаем теоретическую массу аммиака ($m_{теор.}$), которую можно было бы получить из всего количества исходных реагентов:

$m_{теор.}(NH_3) = \frac{m_{практ.}(NH_3)}{\eta} = \frac{1000 \text{ кг}}{0.20} = 5000 \text{ кг}$

Это означает, что для получения 1000 кг аммиака в реактор нужно подать такое количество азотоводородной смеси, из которого теоретически (при 100% выходе) можно было бы синтезировать 5000 кг аммиака.

5. Рассчитаем массы исходных реагентов (т.е. массы, поданные на вход реактора), исходя из теоретического выхода в 5000 кг аммиака.

Масса исходного азота ($m_{исх.}(N_2)$):

$m_{исх.}(N_2) = m_{теор.}(NH_3) \cdot \frac{M(N_2)}{2 \cdot M(NH_3)} = 5000 \text{ кг} \cdot \frac{28}{2 \cdot 17} = 5000 \cdot \frac{28}{34} \approx 4117.65 \text{ кг}$

Масса исходного водорода ($m_{исх.}(H_2)$):

$m_{исх.}(H_2) = m_{теор.}(NH_3) \cdot \frac{3 \cdot M(H_2)}{2 \cdot M(NH_3)} = 5000 \text{ кг} \cdot \frac{3 \cdot 2}{2 \cdot 17} = 5000 \cdot \frac{6}{34} \approx 882.35 \text{ кг}$

Проверим: суммарная масса исходных реагентов составляет $4117.65 + 882.35 = 5000$ кг, что равно теоретической массе аммиака, как и должно быть согласно закону сохранения массы.

6. Теперь определим состав смеси на выходе из реактора. Она будет состоять из продукта (1000 кг аммиака) и непрореагировавших остатков исходных веществ.

Сначала найдем, сколько азота и водорода фактически вступило в реакцию для образования 1000 кг аммиака.

Масса прореагировавшего азота ($m_{реаг.}(N_2)$):

$m_{реаг.}(N_2) = m_{практ.}(NH_3) \cdot \frac{M(N_2)}{2 \cdot M(NH_3)} = 1000 \text{ кг} \cdot \frac{28}{34} \approx 823.53 \text{ кг}$

Масса прореагировавшего водорода ($m_{реаг.}(H_2)$):

$m_{реаг.}(H_2) = m_{практ.}(NH_3) \cdot \frac{3 \cdot M(H_2)}{2 \cdot M(NH_3)} = 1000 \text{ кг} \cdot \frac{6}{34} \approx 176.47 \text{ кг}$

Проверим: $823.53 + 176.47 = 1000$ кг.

7. Рассчитаем массы непрореагировавших компонентов, которые останутся в смеси на выходе.

Масса непрореагировавшего азота ($m_{ост.}(N_2)$):

$m_{ост.}(N_2) = m_{исх.}(N_2) - m_{реаг.}(N_2) = 4117.65 \text{ кг} - 823.53 \text{ кг} = 3294.12 \text{ кг}$

Масса непрореагировавшего водорода ($m_{ост.}(H_2)$):

$m_{ост.}(H_2) = m_{исх.}(H_2) - m_{реаг.}(H_2) = 882.35 \text{ кг} - 176.47 \text{ кг} = 705.88 \text{ кг}$

8. Теперь можно составить итоговый материальный баланс в виде таблицы "Приход-Расход".

Материальный баланс на производство 1000 кг аммиака

Приход (на входе в реактор):

Азот (N₂): 4117,65 кг

Водород (H₂): 882,35 кг

Итого приход: 5000,00 кг

Расход (на выходе из реактора):

Аммиак (NH₃), продукт: 1000,00 кг

Азот (N₂), непрореагировавший: 3294,12 кг

Водород (H₂), непрореагировавший: 705,88 кг

Итого расход: 5000,00 кг

Закон сохранения массы соблюдается: масса веществ на входе равна массе веществ на выходе.

Ответ:

Для производства 1000 кг аммиака при 20% выходе необходимо подать в реактор 4117,65 кг азота и 882,35 кг водорода. После реакции на выходе из реактора будет получено 1000 кг аммиака, а также 3294,12 кг непрореагировавшего азота и 705,88 кг непрореагировавшего водорода. Общая масса веществ на входе (5000 кг) равна общей массе веществ на выходе (5000 кг).