Номер 4, страница 40, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4. Отчего применявшиеся ранее в сернокислотном производстве платиновые катализаторы и катализаторы на основе оксида железа повсеместно заменены ванадиевыми?

Замена платиновых и железооксидных катализаторов на ванадиевые в производстве серной кислоты обусловлена комплексом экономических и технологических причин. Ключевой стадией процесса является каталитическое окисление диоксида серы ($SO_2$) до триоксида серы ($SO_3$):

$2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г) + Q$

Эффективность этой обратимой экзотермической реакции напрямую зависит от свойств используемого катализатора. Рассмотрим преимущества ванадиевого катализатора (обычно оксид ванадия(V), $V_2O_5$, на пористом носителе) по сравнению с ранее применявшимися.

Платина обладает очень высокой каталитической активностью, позволяя проводить реакцию при относительно низких температурах (400–450 o C), что термодинамически выгодно для смещения равновесия в сторону продукта ($SO_3$). Однако у платиновых катализаторов есть два критических недостатка, которые привели к отказу от их использования:

1. Высокая стоимость. Платина — это драгоценный металл, поэтому использование её в больших объёмах, необходимых для промышленных реакторов, делает производство чрезвычайно дорогим.
2. Чувствительность к каталитическим ядам. Платиновые катализаторы необратимо теряют свою активность («отравляются») при контакте с малыми количествами примесей, которые часто содержатся в сернистом газе, получаемом при обжиге сульфидных руд (например, пирита $FeS_2$). Наиболее сильными ядами для платины являются соединения мышьяка ($As$). Это требовало создания сложных и дорогостоящих систем многоступенчатой очистки газа, что значительно усложняло и удорожало весь технологический процесс.

Катализаторы на основе оксида железа(III) лишены недостатков платины — они дёшевы и устойчивы к ядам. Однако их промышленное применение оказалось нецелесообразным по другим причинам:

1. Низкая каталитическая активность. Для того чтобы реакция окисления $SO_2$ шла с приемлемой скоростью, требуются очень высокие температуры (600–700 o C).
2. Низкий равновесный выход продукта. Поскольку реакция получения $SO_3$ является экзотермической, согласно принципу Ле Шателье, повышение температуры смещает химическое равновесие влево, то есть в сторону исходных веществ. При высоких температурах, необходимых для работы железооксидного катализатора, максимальная степень превращения $SO_2$ в $SO_3$ очень мала (не превышает 40–60%), что делает процесс нерентабельным.

Ванадиевые катализаторы, используемые в настоящее время, стали оптимальным решением, которое позволило преодолеть недостатки как платиновых, так и железооксидных систем:

1. Умеренная стоимость. Оксид ванадия(V) и его соединения значительно дешевле платины, что делает их экономически выгодными для крупнотоннажного производства.
2. Высокая устойчивость к каталитическим ядам. Ванадиевые катализаторы гораздо более устойчивы к отравляющему действию примесей (в частности, соединений мышьяка), чем платина. Это существенно упрощает и удешевляет стадию очистки исходного сернистого газа.
3. Высокая активность в оптимальном температурном интервале. Они эффективно работают при температурах 420–600 o C. Этот диапазон является компромиссом между скоростью реакции (которая достаточно высока) и положением равновесия (которое еще не слишком сильно сдвинуто влево). Применение многослойных реакторов с промежуточным охлаждением газа позволяет достичь очень высокой общей степени превращения (99.5–99.8%).
4. Долговечность и стабильность. Благодаря устойчивости к ядам и стабильной работе, срок службы ванадиевых катализаторов составляет несколько лет, что снижает эксплуатационные расходы.

Ответ: Ранее применявшиеся в производстве серной кислоты платиновые и железооксидные катализаторы были повсеместно заменены на ванадиевые, поскольку последние предлагают наилучшее сочетание экономических и технологических характеристик. Ванадиевые катализаторы значительно дешевле платиновых и, в отличие от них, устойчивы к отравлению примесями, что упрощает технологию. В то же время они намного активнее катализаторов на основе оксида железа и работают при более низких, термодинамически выгодных температурах, обеспечивая высокую степень превращения $SO_2$ в $SO_3$ и, следовательно, рентабельность всего производства.