Страница 192 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

• Где используют серную кислоту?

Где используют серную кислоту?

Серная кислота ($H_2SO_4$) является одним из самых важных продуктов химической промышленности и находит применение в самых разнообразных отраслях. Её называют «хлебом химической промышленности» из-за огромных объемов производства и широкого спектра использования.

Основные области применения серной кислоты включают:

Производство минеральных удобрений. Это основная сфера потребления серной кислоты. Ее используют для получения фосфорных (простой и двойной суперфосфат) и азотных (сульфат аммония) удобрений. Например, при получении простого суперфосфата из природного фосфата: $Ca_3(PO_4)_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow Ca(H_2PO_4)_2 + 2CaSO_4$.

Химическая промышленность. Серная кислота используется для производства других кислот (например, соляной, азотной), солей (сульфатов, например, медного и железного купороса), синтетических моющих средств, пластмасс, искусственных волокон (например, вискозного шелка), красителей и лекарственных препаратов. Также она выступает в роли катализатора и водоотнимающего средства во многих реакциях органического синтеза.

Нефтепереработка. Применяется для очистки нефтепродуктов (бензина, керосина, масел) от сернистых соединений и других нежелательных примесей.

Металлургия и металлообработка. Используется для травления (очистки) поверхности металлов от ржавчины и окалины перед нанесением защитных покрытий (например, цинкования или лужения). Также применяется в гидрометаллургии для извлечения металлов (например, меди, урана, никеля) из руд.

Производство аккумуляторов. Разбавленная серная кислота используется в качестве электролита в автомобильных и других свинцово-кислотных аккумуляторах.

Другие области применения. Серную кислоту применяют в производстве взрывчатых веществ (как водоотнимающий агент при нитровании), в текстильной и кожевенной промышленности, в пищевой промышленности (в качестве добавки E513, регулятора кислотности), а также как эффективный осушитель газов в лабораториях и на производстве.

Ответ: Серную кислоту используют в производстве минеральных удобрений, в химической промышленности для синтеза различных веществ (кислот, солей, пластмасс, моющих средств), в нефтепереработке для очистки топлив, в металлургии для травления металлов, в качестве электролита в свинцовых аккумуляторах, а также для производства взрывчатых веществ, лекарств и красителей.

• Как в промышленности получают аммиак и синтез-газ?

Как в промышленности получают аммиак и синтез-газ?

Промышленное получение аммиака и синтез-газа — это два взаимосвязанных крупнотоннажных химических производства. Синтез-газ часто является сырьем для получения водорода, необходимого для синтеза аммиака.

Получение синтез-газа

Синтез-газ — это технологическое название смеси оксида углерода(II) ($CO$) и водорода ($H_2$). Существует несколько основных промышленных методов его получения:

• Паровая конверсия метана (природного газа): Это наиболее распространенный метод. Природный газ, состоящий в основном из метана ($CH_4$), смешивают с водяным паром и пропускают над никелевым катализатором при высокой температуре (700–1000°C) и давлении (до 30 атм).
  Уравнение реакции: $CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3H_2$
• Парциальное (неполное) окисление метана: Метан реагирует с ограниченным количеством кислорода. Реакция является экзотермической, что делает процесс энергетически более выгодным.
  Уравнение реакции: $2CH_4 + O_2 \rightarrow 2CO + 4H_2$
• Газификация угля: Исторически первый метод, который до сих пор используется в странах с большими запасами угля. Уголь реагирует с водяным паром при очень высокой температуре (свыше 1000°C).
  Уравнение реакции: $C + H_2O \rightarrow CO + H_2$

Получение аммиака

Основным промышленным способом получения аммиака ($NH_3$) является процесс Габера-Боша, основанный на прямом синтезе из азота и водорода.

1. Получение сырья:

• Азот ($N_2$) получают фракционной перегонкой сжиженного воздуха.
• Водород ($H_2$) получают в основном из синтез-газа. Оксид углерода ($CO$) в синтез-газе дополнительно реагирует с водяным паром (процесс конверсии CO), чтобы увеличить выход водорода: $CO + H_2O \rightleftharpoons CO_2 + H_2$. Полученный диоксид углерода ($CO_2$) затем удаляют из газовой смеси.

2. Синтез аммиака:

Подготовленную азотоводородную смесь (в соотношении 1:3 по объему) сжимают и нагревают, а затем направляют в колонну синтеза, где происходит каталитическая реакция:

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

Эта реакция является обратимой и экзотермической. Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону образования аммиака необходимо:

• Высокое давление: Процесс ведут при давлении 15–35 МПа (150–350 атмосфер), так как реакция идет с уменьшением объема газов.
• Низкая температура: Так как реакция экзотермическая, понижение температуры смещает равновесие вправо. Однако при низкой температуре скорость реакции очень мала. Поэтому выбирают оптимальную температуру 400–500°C, которая является компромиссом между скоростью реакции и выходом продукта.
• Катализатор: Для достижения приемлемой скорости реакции при оптимальной температуре используют катализатор — пористое железо, активированное оксидами калия, алюминия, кальция.

За один проход через катализатор в аммиак превращается лишь 15-25% исходных газов. Поэтому полученную смесь охлаждают, сжиженный аммиак отделяют, а непрореагировавшие азот и водород возвращают в цикл (принцип циркуляции).

Ответ: Синтез-газ (смесь $CO$ и $H_2$) в промышленности получают в основном паровой конверсией природного газа (метана), а также его парциальным окислением или газификацией угля. Аммиак получают процессом Габера-Боша — прямым каталитическим синтезом из азота (получаемого из воздуха) и водорода (получаемого преимущественно из синтез-газа) при высоком давлении (150-350 атм) и температуре (400-500°C) на железном катализаторе.

• Какой катализатор используют при синтезе аммиака?

Какой катализатор используют при синтезе аммиака?

Промышленный синтез аммиака из азота и водорода, известный как процесс Габера-Боша, является одним из важнейших химических производств в мире. Уравнение реакции выглядит следующим образом: $$ N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) \quad (\Delta H = -92,4 \, кДж/моль) $$ Реакция является обратимой, экзотермической и протекает с уменьшением объема. Для того чтобы она шла с приемлемой скоростью при экономически выгодных условиях (относительно невысоких температурах и давлениях), необходимо использование катализатора.

В качестве катализатора в этом процессе применяют пористое железо, которое получают путем восстановления оксида железа(II, III) — магнетита ($Fe_3O_4$) — водородом. Для увеличения активности и срока службы катализатора в его состав вводят специальные добавки — промоторы. Основными промоторами являются:

• Оксид алюминия ($Al_2O_3$): Играет роль структурного промотора. Он создает своего рода "каркас", который предотвращает спекание (агломерацию) мелких кристаллов железа при высоких температурах процесса. Это позволяет сохранить большую удельную поверхность катализатора, что является ключевым фактором его высокой активности.
• Оксид калия ($K_2O$): Выступает в качестве электронного (химического) промотора. Он модифицирует электронные свойства поверхности железа, облегчая адсорбцию и диссоциацию молекул азота. Разрыв чрезвычайно прочной тройной связи в молекуле азота ($N \equiv N$) является самой медленной (лимитирующей) стадией всего процесса, и оксид калия помогает ее ускорить.
• Иногда в состав катализатора вводят и другие оксиды, например, оксид кальция ($CaO$) или диоксид кремния ($SiO_2$), которые также способствуют стабилизации структуры и повышению активности.

Таким образом, современный катализатор для синтеза аммиака — это сложная гетерогенная система, состоящая из губчатого железа, активированного (промотированного) оксидами алюминия и калия.

Ответ: При синтезе аммиака используют пористый железный катализатор, промотированный (активированный) оксидами алюминия ($Al_2O_3$) и калия ($K_2O$).

От каких факторов зависит скорость химической реакции?

Скорость химической реакции — это фундаментальная характеристика, показывающая, как быстро реагенты превращаются в продукты. Она зависит от целого ряда факторов, которые влияют на частоту и эффективность столкновений между реагирующими частицами.

1. Природа реагирующих веществ. Строение молекул, тип и прочность химических связей в них определяют их химическую активность. Реакции, не требующие разрыва прочных связей (например, реакции ионного обмена в растворах), как правило, протекают очень быстро. Реакции, для которых необходимо разорвать прочные ковалентные связи (например, в молекуле $N_2$), идут медленно.
2. Концентрация. Для гомогенных реакций (протекающих в одной фазе) скорость прямо пропорциональна концентрации реагентов. Это описывается законом действующих масс: чем больше молекул реагентов находится в единице объема, тем чаще они сталкиваются, и тем выше скорость реакции. Для элементарной реакции $A + B \rightarrow C$ скорость ($v$) можно выразить как $v = k \cdot [A] \cdot [B]$.
3. Температура. Повышение температуры приводит к значительному увеличению скорости практически любой реакции. Это объясняется тем, что с ростом температуры: а) увеличивается средняя кинетическая энергия молекул, что приводит к более частым и сильным столкновениям; б) что более важно, резко возрастает доля "активных" молекул, энергия которых достаточна для преодоления энергетического барьера реакции (энергии активации $E_a$). Эта зависимость описывается уравнением Аррениуса: $k = Ae^{-E_a/(RT)}$. Согласно эмпирическому правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на каждые 10°C увеличивает скорость реакции в 2–4 раза.
4. Наличие катализатора или ингибитора.Катализаторы — вещества, которые увеличивают скорость реакции, предоставляя альтернативный реакционный путь с более низкой энергией активации. При этом сам катализатор в реакции не расходуется. Ингибиторы, напротив, замедляют реакцию (например, блокируя активные центры катализатора или связывая активные частицы).
5. Площадь поверхности соприкосновения. Этот фактор имеет решающее значение для гетерогенных реакций, где реагенты находятся в разных агрегатных состояниях (например, твердое-жидкость, твердое-газ). Реакция происходит только на границе раздела фаз, поэтому чем больше площадь этой границы, тем выше скорость. Измельчение твердого реагента (например, металла или угля) в порошок многократно увеличивает скорость его реакции.
6. Давление (для газообразных реагентов). Увеличение давления для реакций с участием газов равносильно увеличению их концентрации. Молекулы газа сближаются, частота их столкновений возрастает, что ведет к увеличению скорости реакции.

Ответ: Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации (или давления для газов), температуры, наличия катализатора или ингибитора, а для гетерогенных реакций — от площади поверхности соприкосновения реагентов.

• От каких факторов зависит скорость химической реакции?

Какой катализатор используют при синтезе аммиака?

При промышленном производстве аммиака из азота и водорода, известном как процесс Габера-Боша, используется гетерогенный катализатор. Основой этого катализатора служит пористое железо, которое получают путем восстановления оксида железа(II,III) $Fe_3O_4$ водородом. Для увеличения эффективности и срока службы катализатора в его состав добавляют специальные вещества — промоторы.
Наиболее распространенными промоторами являются оксид алюминия ($Al_2O_3$) и оксид калия ($K_2O$). Оксид алюминия выступает в роли структурного промотора: он создает своеобразный каркас, который предотвращает спекание (рекристаллизацию) мелких кристаллов железа при высоких температурах процесса (400–500 °C), тем самым сохраняя большую площадь активной поверхности катализатора. Оксид калия является электронным промотором. Он изменяет электронную плотность на поверхности железа, что облегчает адсорбцию и последующую активацию молекул азота ($N_2$), разрыв прочной тройной связи в которых является лимитирующей стадией всего процесса. Уравнение реакции синтеза аммиака: $N_2 (г) + 3H_2 (г) \rightleftharpoons 2NH_3 (г)$.

Ответ: При синтезе аммиака используют пористое железо в качестве катализатора, активированное (промотированное) оксидами алюминия ($Al_2O_3$) и калия ($K_2O$).

От каких факторов зависит скорость химической реакции?

Скорость химической реакции — это величина, показывающая, как быстро изменяется концентрация одного из реагентов или продуктов реакции во времени. Она зависит от ряда факторов, которые определяют частоту и энергию столкновений между реагирующими частицами.

• Природа реагирующих веществ. Состав, строение молекул и тип химической связи в веществах определяют их реакционную способность. Например, реакции в растворах между ионами (например, $Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow$) протекают практически мгновенно, тогда как реакции с участием веществ с прочными ковалентными связями (например, горение метана) требуют определенных условий и протекают медленнее.
• Концентрация. Для гомогенных систем (когда все вещества находятся в одной фазе) скорость реакции обычно возрастает с увеличением концентрации реагентов. Это объясняется увеличением числа частиц в единице объема, что приводит к более частым столкновениям между ними. Эта зависимость описывается законом действующих масс. Для реакции вида $aA + bB \rightarrow продукты$ скорость ($v$) выражается как $v = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b$, где $[A]$ и $[B]$ — молярные концентрации веществ, а $k$ — константа скорости.
• Температура. Повышение температуры значительно увеличивает скорость большинства реакций. Это происходит потому, что увеличивается средняя кинетическая энергия молекул, и, как следствие, возрастает доля активных молекул — тех, чья энергия достаточна для преодоления энергетического барьера реакции (энергии активации $E_a$). Зависимость константы скорости от температуры описывается уравнением Аррениуса: $k = A \cdot e^{-E_a/(RT)}$. Эмпирическое правило Вант-Гоффа гласит, что при повышении температуры на каждые 10 градусов Цельсия скорость реакции увеличивается в 2–4 раза.
• Давление. Этот фактор имеет существенное значение для реакций с участием газообразных веществ. Увеличение давления приводит к увеличению концентрации газов, что, аналогично влиянию концентрации, увеличивает частоту столкновений молекул и, соответственно, скорость реакции.
• Площадь поверхности соприкосновения. Для гетерогенных реакций, протекающих на границе раздела фаз (например, твердое-жидкость, твердое-газ), скорость зависит от площади контакта реагентов. Измельчение твердого вещества (например, использование порошка вместо цельного куска) увеличивает площадь его поверхности, что приводит к значительному ускорению реакции.
• Наличие катализатора. Катализатор — это вещество, которое ускоряет реакцию, но само при этом не расходуется. Механизм действия катализатора заключается в том, что он направляет реакцию по альтернативному пути с более низкой энергией активации. Вещества, замедляющие реакцию, называются ингибиторами.

Ответ: Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации (или давления для газов), температуры, площади поверхности контакта для гетерогенных систем и наличия катализатора или ингибитора.