Страница 197 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Какие этапы включает принципиальная схема химического производства?

Принципиальная технологическая схема химического производства — это обобщенное описание процесса, которое отражает последовательность основных операций по переработке сырья в целевой продукт. Любое химическое производство, независимо от его специфики, можно разбить на несколько ключевых, взаимосвязанных этапов.

Основные этапы, которые включает принципиальная схема химического производства:

1. Подготовка сырья к переработке

   Цель этого этапа — привести исходные вещества в состояние, оптимальное для проведения химического синтеза. На данной стадии осуществляются такие процессы, как: очистка сырья от механических и химических примесей, которые могут замедлить реакцию, отравить катализатор или ухудшить качество продукта; измельчение твердых компонентов для увеличения площади их поверхности; растворение, расплавление или перевод в газообразное состояние; нагрев или охлаждение до необходимой температуры; точное дозирование и смешивание реагентов в требуемых пропорциях.

2. Химическое превращение (синтез)

   Это центральная и наиболее важная стадия всего производства, в ходе которой в специальных аппаратах — химических реакторах — происходит превращение подготовленного сырья в продукты реакции. Эффективность этого этапа определяется рядом ключевых параметров, таких как температура, давление, наличие и активность катализатора, концентрация реагентов и время их контакта. Условия проведения процесса и тип реактора подбираются исходя из термодинамических и кинетических особенностей конкретной химической реакции.

3. Выделение и очистка целевого продукта

   Смесь веществ, получаемая на выходе из реактора, как правило, является сложной. Она содержит не только целевой продукт, но и непрореагировавшее сырье, побочные продукты, растворитель и катализатор. Поэтому заключительный этап производства посвящен разделению этой смеси. Здесь происходит выделение целевого продукта и его последующая очистка до требуемой степени чистоты (кондиции). Для этого применяют разнообразные методы разделения: дистилляцию (ректификацию), экстракцию, абсорбцию, адсорбцию, кристаллизацию, фильтрование, центрифугирование и другие. Непрореагировавшие исходные вещества часто отделяют и возвращают на стадию синтеза (этот процесс называется рециркуляцией), что позволяет повысить экономическую эффективность и снизить количество отходов.

Таким образом, эти три стадии образуют ядро любого химико-технологического процесса, обеспечивая полный цикл превращения от сырья до готового продукта.

Ответ: Принципиальная схема химического производства включает в себя три основных этапа: 1) подготовка сырья к переработке; 2) осуществление химического превращения (синтеза); 3) выделение и очистка целевого продукта из реакционной смеси.

2. Серную кислоту можно получить из следующих исходных веществ:

а) сульфида цинка;

б) сероводорода;

в) сульфида сурьмы $Sb_2S_3$.

Составьте уравнения соответствующих реакций.

Процесс получения серной кислоты из серосодержащего сырья, как правило, включает три основные стадии. Ниже приведены уравнения реакций для каждого из указанных исходных веществ.

а) сульфида цинка

Получение серной кислоты из сульфида цинка ($ZnS$) осуществляется в три этапа.

1. Обжиг сульфида цинка в токе кислорода для получения оксида цинка и диоксида серы (сернистого газа):
$2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO + 2SO_2$

2. Каталитическое окисление диоксида серы в триоксид серы (серный ангидрид). Реакция является обратимой и проводится при повышенной температуре в присутствии катализатора (например, оксида ванадия(V)):
$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

3. Поглощение триоксида серы водой с образованием серной кислоты. В промышленности для большей эффективности $SO_3$ поглощают концентрированной серной кислотой, получая олеум ($H_2S_2O_7$), который затем разбавляют водой.
$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$

Ответ:

$2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO + 2SO_2$

$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$

б) сероводорода

Получение серной кислоты из сероводорода ($H_2S$) также включает несколько стадий.

1. Сжигание сероводорода в избытке кислорода с образованием диоксида серы и воды:
$2H_2S + 3O_2 \rightarrow 2SO_2 + 2H_2O$

2. Каталитическое окисление диоксида серы в триоксид серы:
$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

3. Гидратация триоксида серы с образованием серной кислоты:
$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$

Ответ:

$2H_2S + 3O_2 \rightarrow 2SO_2 + 2H_2O$

$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$

в) сульфида сурьмы $Sb_2S_3$

Схема получения серной кислоты из сульфида сурьмы(III) ($Sb_2S_3$) аналогична предыдущим.

1. Обжиг сульфида сурьмы для получения оксида сурьмы(III) и диоксида серы:
$2Sb_2S_3 + 9O_2 \xrightarrow{t} 2Sb_2O_3 + 6SO_2$

2. Каталитическое окисление диоксида серы в триоксид серы:
$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

3. Гидратация триоксида серы с образованием серной кислоты:
$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$

Ответ:

$2Sb_2S_3 + 9O_2 \xrightarrow{t} 2Sb_2O_3 + 6SO_2$

$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$

3. Поясните, какие условия необходимы для превращения оксида серы(IV) в оксид серы(VI).

Превращение оксида серы(IV) ($SO_2$) в оксид серы(VI) ($SO_3$) — это процесс окисления, который является обратимой экзотермической реакцией. Это центральная стадия промышленного получения серной кислоты (контактный метод). Уравнение этой реакции:

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

Поскольку реакция обратима, для достижения высокого выхода продукта ($SO_3$) и приемлемой скорости реакции необходимо создать определённые условия, основанные на принципе Ле Шателье.

1. Температура

Реакция является экзотермической, то есть протекает с выделением тепла. Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону образования продуктов (вправо) необходимо понижать температуру. Однако при низкой температуре скорость реакции становится очень маленькой. Поэтому на практике находят компромисс: процесс ведут при оптимальной температуре 400–500 °C. Эта температура достаточно высока, чтобы обеспечить высокую скорость реакции, но при этом достаточно низка, чтобы равновесие не слишком сильно смещалось в сторону исходных веществ.

2. Давление

В ходе реакции из 3 объемов (или молей) газообразных реагентов (2 моль $SO_2$ и 1 моль $O_2$) образуется 2 объема (или моля) газообразного продукта ($SO_3$). Реакция идёт с уменьшением объёма. Согласно принципу Ле Шателье, повышение давления будет смещать равновесие в сторону меньшего объёма, то есть в сторону образования оксида серы(VI). Поэтому применение повышенного давления выгодно. Впрочем, на современных производствах часто используют давление, близкое к атмосферному (1-2 атм), так как выход продукта и без того высок, а использование высокого давления требует более сложного и дорогого оборудования.

3. Катализатор

Чтобы ускорить реакцию и дать ей возможность эффективно протекать при умеренной температуре (400–500 °C), обязательно используют катализатор. Катализатор ускоряет как прямую, так и обратную реакции, позволяя системе быстрее достичь равновесия. Наиболее распространённым и эффективным катализатором для этого процесса является оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), нанесённый на пористый носитель. Реже используется платиновый катализатор (Pt), так как он дороже и легко "отравляется" примесями.

4. Концентрация реагентов

Для смещения равновесия вправо и обеспечения более полного превращения $SO_2$ в $SO_3$, в реакционную смесь подают избыток одного из реагентов — кислорода (обычно в виде воздуха). Это увеличивает выход конечного продукта.

Ответ:
Для превращения оксида серы(IV) в оксид серы(VI) необходимы следующие условия:
1. Присутствие окислителя, обычно кислорода воздуха.
2. Оптимальная температура в диапазоне 400–500 °C.
3. Использование катализатора, как правило, оксида ванадия(V) ($V_2O_5$).
4. Повышенное давление (хотя процесс эффективно идёт и при атмосферном давлении).
5. Избыток кислорода по отношению к оксиду серы(IV).

4*. Человек начинает ощущать едкий запах оксида серы(IV), если в $1 \text{ м}^3$ воздуха содержится $3 \text{ мг SO}_2$. При вдыхании в течение $5 \text{ мин}$ воздуха с таким содержанием $\text{SO}_2$ у человека развивается воспаление гортани. Какое количество $\text{SO}_2$ приводит к развитию болезни? (Считайте, что объём лёгких равен $9,5 \text{ л}$, а вдох происходит каждые $4 \text{ с}.)$

Дано:

Массовая концентрация оксида серы(IV) в воздухе $\rho(SO_2) = 3 \text{ мг/м}^3$
Время вдыхания воздуха $t = 5 \text{ мин} = 300 \text{ с}$
Объём воздуха, вдыхаемого за один раз (принят равным объёму лёгких) $V_1 = 9,5 \text{ л} = 9,5 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$
Периодичность вдоха $T = 4 \text{ с}$

Найти:

Массу оксида серы(IV), которая приводит к развитию болезни $m(SO_2)$.

Решение:

1. Первым шагом определим общее количество вдохов, которое человек совершит за 5 минут. Для этого общее время вдыхания разделим на время, затрачиваемое на один вдох.

$N = \frac{t}{T}$

$N = \frac{300 \text{ с}}{4 \text{ с}} = 75$

Человек сделает 75 вдохов.

2. Далее вычислим общий объём воздуха, который пройдёт через лёгкие за это время. Умножим количество вдохов на объём одного вдоха.

$V_{общ} = N \cdot V_1$

$V_{общ} = 75 \cdot 9,5 \text{ л} = 712,5 \text{ л}$

3. Для дальнейших расчётов переведём полученный объём в кубические метры, используя соотношение $1 \text{ м}^3 = 1000 \text{ л}$.

$V_{общ} = 712,5 \text{ л} = 0,7125 \text{ м}^3$

4. Зная общий объём вдыхаемого воздуха и концентрацию в нём оксида серы(IV), мы можем найти массу $SO_2$, которая попала в организм и вызвала заболевание.

$m(SO_2) = V_{общ} \cdot \rho(SO_2)$

$m(SO_2) = 0,7125 \text{ м}^3 \cdot 3 \frac{\text{мг}}{\text{м}^3} = 2,1375 \text{ мг}$

Ответ: количество $SO_2$, которое приводит к развитию болезни, составляет 2,1375 мг.