Номер 2, страница 170, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

2. В настоящее время большое внимание уделяется разработке безотходных и экологически чистых технологий с низкой энергоемкостью. Исходя из этих требований, предложите схему получения важного азотного удобрения — аммиачной селитры. В качестве исходных соединений можно использовать любые встречающиеся в природе вещества.

Для получения аммиачной селитры ($NH_4NO_3$), отвечающего требованиям безотходности, экологической чистоты и низкой энергоемкости, необходимо организовать производство, основанное на легкодоступных природных ресурсах. Такими ресурсами являются воздух (источник азота и кислорода), вода и природный газ (источники водорода). Схема получения включает три основные стадии: синтез аммиака, синтез азотной кислоты и их последующее взаимодействие.

Стадия 1. Синтез аммиака ($NH_3$) по процессу Габера-Боша

Аммиак является одним из двух ключевых компонентов. Его получают прямым синтезом из азота и водорода.

1. Получение исходных веществ:

• Азот ($N_2$) получают методом низкотемпературной ректификации сжиженного воздуха. Этот процесс является физическим и не производит химических отходов.

• Водород ($H_2$) в промышленности чаще всего получают паровой конверсией метана ($CH_4$, основной компонент природного газа): $CH_4 + H_2o \rightleftharpoons Co + 3H_2$. Побочный продукт $CO_2$ (после конверсии $CO$) может быть утилизирован, что делает процесс более безотходным. Альтернативный, но более энергозатратный метод — электролиз воды: $2H_2o \rightarrow 2H_2 + O_2$, который является абсолютно экологически чистым при использовании энергии из возобновляемых источников.

2. Синтез аммиака:

Подготовленную азотоводородную смесь сжимают и направляют в колонну синтеза, где на железном катализаторе при давлении 15-35 МПа и температуре 400-500 o C протекает обратимая экзотермическая реакция:

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

Непрореагировавшие газы отделяются от сжиженного аммиака и возвращаются в цикл (принцип циркуляции), что обеспечивает безотходность по сырью.

Стадия 2. Синтез азотной кислоты ($HNO_3$) по процессу Оствальда

Азотную кислоту получают каталитическим окислением аммиака, полученного на первой стадии, кислородом воздуха. Процесс состоит из трех основных шагов:

1. Каталитическое окисление аммиака на платино-родиевых катализаторах при температуре 850-950 o C. Реакция сильно экзотермична, и выделяемое тепло используется для нужд производства, снижая общие энергозатраты.

$4NH_3(г) + 5O_2(г) \rightarrow 4NO(г) + 6H_2O(г)$

2. Окисление оксида азота(II) до оксида азота(IV) кислородом воздуха при охлаждении газовой смеси.

$2NO(г) + O_2(г) \rightarrow 2NO_2(г)$

3. Абсорбция оксида азота(IV) водой в присутствии избытка кислорода с образованием азотной кислоты.

$4NO_2(г) + O_2(г) + 2H_2O(ж) \rightarrow 4HNO_3(водн.)$

Остаточные оксиды азота ("хвостовые газы") улавливаются и возвращаются в процесс, что минимизирует выбросы в атмосферу и повышает выход продукта.

Стадия 3. Получение аммиачной селитры

Заключительная стадия — это реакция нейтрализации азотной кислоты аммиаком, полученными на предыдущих стадиях.

$NH_3(г) + HNO_3(водн.) \rightarrow NH_4NO_3(водн.)$

Эта реакция является сильно экзотермической. Выделяющееся тепло используется для выпаривания воды из полученного раствора нитрата аммония. После концентрирования расплав гранулируют, получая готовый продукт. Этот процесс не имеет побочных продуктов, кроме воды, что делает его полностью безотходным.

Ответ:

Экологически чистая и безотходная схема получения аммиачной селитры из природных веществ (воздух, вода, природный газ) представляет собой интегрированный производственный комплекс, включающий три стадии:

1. Синтез аммиака ($NH_3$) по процессу Габера-Боша из азота (из воздуха) и водорода (из природного газа или воды) с рециркуляцией непрореагировавших газов:

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

2. Синтез азотной кислоты ($HNO_3$) по процессу Оствальда путем каталитического окисления аммиака кислородом воздуха с утилизацией тепла реакции и рециркуляцией оксидов азота:

$4NH_3 + 5O_2 \rightarrow 4No + 6H_2O$

$2No + O_2 \rightarrow 2NO_2$

$4NO_2 + O_2 + 2H_2o \rightarrow 4HNO_3$

3. Нейтрализация аммиака азотной кислотой с получением нитрата аммония и использованием тепла реакции для выпаривания воды:

$NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3$