Номер 7, страница 40, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

7. Серную кислоту производят контактным способом по следующей схеме:

Вещество А

Вещество Б

Вещество Г (катализатор)

Вещество В (газ)

Вещество Д (продукт окисления В)

Вещество Ж (продукт взаимодействия Д и Е)

а) Назовите все вещества от А до Ж.

б) Напишите уравнения реакций данного процесса.

в) Вещество Ж является очень важным. Приведите три примера его использования.

г) На какой из стадий необходим катализатор? Укажите оптимальные условия данной реакции.

а) Назовите все вещества от А до Ж.

Схема описывает контактный способ производства серной кислоты. Расшифруем вещества, обозначенные буквами, в соответствии со стадиями процесса.

Первая стадия – получение сернистого газа (вещества В) путем сжигания серосодержащего сырья (вещества А) в кислороде (вещество Б).

Вещество А – Сера ($\text{S}$).

Вещество Б – Кислород ($O_2$).

Вещество В – Диоксид серы, или сернистый газ ($SO_2$).

Вторая стадия – каталитическое окисление сернистого газа до серного ангидрида.

Вещество Г – Катализатор, оксид ванадия(V) ($V_2O_5$).

Вещество Д – Продукт окисления вещества В, триоксид серы, или серный ангидрид ($SO_3$).

Третья стадия – получение конечного продукта. Вещество Д ($SO_3$) реагирует с веществом Е.

Вещество Ж – Конечный продукт, серная кислота ($H_2SO_4$). Она является продуктом взаимодействия вещества Д ($SO_3$) и вещества Е, которым в данном случае является вода ($H_2O$). Хотя в промышленности для поглощения $SO_3$ используют концентрированную серную кислоту с образованием олеума, для учебной схемы более характерно прямое взаимодействие с водой.

Ответ: А – сера ($\text{S}$); Б – кислород ($O_2$); В – диоксид серы ($SO_2$); Г – оксид ванадия(V) ($V_2O_5$); Д – триоксид серы ($SO_3$); Ж – серная кислота ($H_2SO_4$).

б) Напишите уравнения реакций данного процесса.

Процесс производства серной кислоты, представленный на схеме, включает следующие химические реакции:

1. Получение диоксида серы путем сжигания серы:

$S_{(тв)} + O_{2(г)} \rightarrow SO_{2(г)}$

2. Каталитическое окисление диоксида серы в триоксид серы (обратимая реакция):

$2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)}$

3. Получение серной кислоты путем гидратации триоксида серы:

$SO_{3(г)} + H_2O_{(ж)} \rightarrow H_2SO_{4(р-р)}$

Ответ:

1) $S + O_2 \rightarrow SO_2$

2) $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

3) $SO_3 + H_2o \rightarrow H_2SO_4$

в) Вещество Ж является очень важным. Приведите три примера его использования.

Вещество Ж (серная кислота, $H_2SO_4$) – одно из важнейших продуктов химической промышленности. Его широкое применение обусловлено его сильными кислотными, водоотнимающими и окислительными свойствами.

Три примера использования:

1. Производство минеральных удобрений. Большую часть производимой серной кислоты используют для получения фосфорных (суперфосфат) и азотных (сульфат аммония) удобрений.

2. В свинцово-кислотных аккумуляторах. Разбавленная серная кислота служит электролитом в автомобильных и промышленных аккумуляторах.

3. В качестве реагента и сырья в химическом синтезе. Серная кислота используется для производства синтетических моющих средств, красителей, лекарств, взрывчатых веществ, а также для получения других кислот и солей.

Ответ: Три примера использования серной кислоты: 1) производство минеральных удобрений; 2) в качестве электролита в свинцовых аккумуляторах; 3) для производства моющих средств, красителей и других химических продуктов.

г) На какой из стадий необходим катализатор? Укажите оптимальные условия данной реакции.

Катализатор (вещество Г) необходим на стадии окисления диоксида серы ($SO_2$) до триоксида серы ($SO_3$):

$2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)} + Q$

Это ключевая стадия всего процесса. Реакция является обратимой и экзотермической. Для смещения равновесия в сторону продукта и обеспечения высокой скорости реакции применяют следующие оптимальные условия:

1. Катализатор: Оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), нанесенный на пористый носитель (например, силикагель) для увеличения поверхности контакта.

2. Температура: $450–500 o C$. Это компромиссная температура: при более низких значениях скорость реакции слишком мала, а при более высоких равновесие смещается влево, уменьшая выход продукта.

3. Давление: $1-2$ атмосферы. Хотя повышение давления способствует смещению равновесия вправо (в сторону меньшего объема газов), выход продукта и так достаточно высок (>98%) при атмосферном давлении, поэтому использование высоких давлений экономически невыгодно.

Ответ: Катализатор необходим на стадии окисления диоксида серы в триоксид серы ($2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$). Оптимальные условия: катализатор $V_2O_5$, температура $450–500 o C$, давление $1-2$ атмосферы.