Номер 2, страница 217 - 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.

Решение

Для создания безотходной, экологически чистой и низкоэнергоемкой технологии получения аммиачной селитры ($NH_4NO_3$) необходимо построить производственный цикл, в котором исходными веществами являются только доступные природные компоненты (воздух, вода), а побочные продукты одного процесса служат сырьем для другого. Тепло, выделяющееся в экзотермических реакциях, должно утилизироваться для нужд самого производства.

Процесс можно разбить на три основных этапа.

1. Получение аммиака ($NH_3$)

Аммиак синтезируется по процессу Габера-Боша из азота и водорода. В качестве исходных природных веществ используются воздух и вода.

а) Получение азота ($N_2$) и кислорода ($O_2$): Азот получают путем низкотемпературной ректификации (фракционной перегонки) сжиженного воздуха. Воздух — неисчерпаемый природный ресурс. Побочным продуктом является кислород, который будет использован на следующем этапе.

б) Получение водорода ($H_2$): Для обеспечения экологической чистоты (избегая выбросов $CO_2$ от конверсии метана) водород получают электролизом воды. Вода также является природным веществом.

$2H_2o \xrightarrow{электролиз} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

Для соблюдения принципа низкой энергоемкости необходимо использовать электроэнергию из возобновляемых источников (гидро-, ветро- или солнечные электростанции). Кислород, полученный здесь, также направляется на стадию синтеза азотной кислоты.

в) Синтез аммиака: Азот и водород реагируют при высокой температуре (400-500o C), высоком давлении (150-350 атм) и в присутствии катализатора (Fe).

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3 + Q$

Реакция является обратимой и экзотермической. Для повышения эффективности непрореагировавшие азот и водород отделяются от аммиака и возвращаются в цикл (принцип циркуляции), что делает процесс практически безотходным. Выделяющееся тепло ($\text{Q}$) используется для подогрева исходной газовой смеси.

2. Получение азотной кислоты ($HNO_3$)

Азотную кислоту получают по методу Оствальда из аммиака, полученного на первом этапе, и кислорода (из воздуха и электролиза воды).

а) Каталитическое окисление аммиака: Смесь аммиака и кислорода пропускают над платино-родиевым катализатором при температуре 800-950o C.

$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt/Rh, t} 4No + 6H_2o + Q$

Этот процесс сильно экзотермический, и его тепло используется для производства пара, который вращает турбины, генерирующие электроэнергию для нужд производства (например, для компрессоров).

б) Окисление оксида азота(II) до оксида азота(IV): При охлаждении оксид азота(II) ($NO$) самопроизвольно реагирует с избытком кислорода.

$2No + O_2 \rightarrow 2NO_2 + Q$

в) Абсорбция оксида азота(IV) водой: $NO_2$ поглощается водой в присутствии кислорода с образованием азотной кислоты.

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

Возможен также процесс, где образуется побочный продукт $NO$: $3NO_2 + H_2o \rightarrow 2HNO_3 + NO$. Этот оксид азота(II) не является отходом, а возвращается на стадию (б) для доокисления, что обеспечивает безотходность по азоту.

3. Синтез аммиачной селитры ($NH_4NO_3$)

Конечный продукт получают реакцией нейтрализации аммиака (из этапа 1) азотной кислотой (из этапа 2).

$NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3 + Q$

Эта реакция также является сильно экзотермической. Выделяющееся тепло ($\text{Q}$) используется для выпаривания избытка воды из полученного раствора аммиачной селитры и для получения товарного продукта в виде гранул или кристаллов. Это позволяет избежать затрат энергии на сушку.

Ответ: Предлагается схема, основанная на использовании воздуха и воды в качестве исходного сырья. Схема включает три основных интегрированных производства: 1) Синтез аммиака ($NH_3$) из азота воздуха и водорода, полученного электролизом воды, с полной рециркуляцией непрореагировавших газов. 2) Синтез азотной кислоты ($HNO_3$) из полученного аммиака и кислорода (из воздуха и электролиза) с рециклом оксидов азота. 3) Нейтрализация аммиака азотной кислотой для получения аммиачной селитры ($NH_4NO_3$). Безотходность и низкая энергоемкость достигаются за счет полной рециркуляции промежуточных продуктов и утилизации тепла всех экзотермических реакций для нужд самого производства (подогрев сырья, генерация электроэнергии, выпаривание воды). Экологическая чистота обеспечивается использованием возобновляемой энергии для электролиза воды и минимизацией выбросов за счет замкнутого цикла.