Номер 5, страница 20, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

5. Перечислите основные факторы, позволяющие ускорить химические реакции, протекающие при производстве азотных удобрений.

Повышение температуры

Согласно правилу Вант-Гоффа и уравнению Аррениуса, повышение температуры приводит к увеличению скорости большинства химических реакций. Это связано с ростом кинетической энергии молекул, что ведёт к увеличению частоты и эффективности столкновений между ними. Однако в производстве азотных удобрений многие ключевые реакции являются экзотермическими и обратимыми. Например, синтез аммиака (процесс Габера-Боша): $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + Q$, или первая стадия процесса Оствальда: $4NH_3(г) + 5O_2(г) \rightleftharpoons 4NO(г) + 6H_2O(г) + Q$. В таких случаях слишком высокая температура, согласно принципу Ле Шателье, смещает равновесие влево (в сторону реагентов), уменьшая выход продукта. Поэтому на практике выбирают компромиссную, или оптимальную, температуру, которая обеспечивает достаточно высокую скорость реакции при приемлемом равновесном выходе продукта. Для синтеза аммиака это 400–500o C, а для окисления аммиака — 850–950o C.

Ответ: Повышение температуры до оптимальных значений, являющихся компромиссом между скоростью реакции и положением химического равновесия.

Повышение давления

Для реакций, протекающих в газовой фазе, увеличение давления эквивалентно увеличению концентрации реагентов. Это приводит к росту числа столкновений молекул в единицу времени и, как следствие, к увеличению скорости реакции. Кроме того, согласно принципу Ле-Шателье, повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего объёма (меньшего числа молей газов). В процессе синтеза аммиака из 4 молей исходных газов ($N_2$ и $H_2$) образуется 2 моля продукта ($NH_3$). Поэтому повышение давления не только значительно ускоряет реакцию, но и увеличивает равновесный выход аммиака. В промышленности процесс ведут при высоких давлениях — от 15 до 35 МПа (150–350 атмосфер).

Ответ: Повышение давления, что увеличивает концентрацию газообразных реагентов и смещает равновесие в сторону продуктов в реакциях с уменьшением числа молей газов.

Использование катализаторов

Катализаторы — это вещества, которые ускоряют химическую реакцию, но сами в ней не расходуются. Они обеспечивают альтернативный путь реакции с более низкой энергией активации. Это позволяет проводить процессы с высокой скоростью при более низких температурах, чем потребовалось бы без катализатора, что делает производство экономически выгодным и в ряде случаев в принципе возможным. Использование катализаторов является ключевым фактором в производстве азотных удобрений. Например, в синтезе аммиака (процесс Габера-Боша) используется гетерогенный катализатор на основе пористого железа с добавками-промоторами (оксиды калия $K_2O$, алюминия $Al_2O_3$, кальция $CaO$). В процессе окисления аммиака до оксида азота(II) (процесс Оствальда) в качестве катализатора применяют сетки из сплава платины с родием ($Pt-Rh$).

Ответ: Использование катализаторов для снижения энергии активации реакции, что позволяет проводить процессы с высокой скоростью при более умеренных температурах.