Номер 3, страница 65 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Вопросы в начале параграфа. Параграф 14. Катализ. Глава III. Химические реакции - номер 3, страница 65.

Условие.

• При каких условиях осуществляют промышленный синтез аммиака?

Решение.

Решение 2.

Промышленный синтез аммиака, известный как процесс Габера-Боша, основан на обратимой реакции прямого взаимодействия азота и водорода. Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + 92,4 \text{ кДж}$

Реакция является экзотермической (протекает с выделением тепла) и протекает с уменьшением числа молей газа (из 4 объемов исходных газов образуется 2 объема продукта). Выбор оптимальных условий для этого процесса основан на принципе химического равновесия Ле Шателье и кинетических закономерностях. Цель — достичь максимального выхода продукта с высокой скоростью и минимальными затратами.

Температура
Поскольку прямая реакция синтеза аммиака экзотермическая, понижение температуры смещает равновесие в сторону образования аммиака. Однако при низкой температуре скорость реакции крайне мала. Поэтому в промышленности используют компромиссную температуру в диапазоне 400–500 °C. Эта температура обеспечивает достаточную скорость реакции при экономически оправданном равновесном выходе продукта.

Давление
Реакция идет с уменьшением объема, следовательно, согласно принципу Ле Шателье, повышение давления способствует смещению равновесия вправо, то есть в сторону образования аммиака. Поэтому процесс ведут при высоком давлении, обычно в пределах 15–35 МПа (что эквивалентно 150–350 атмосферам). Использование еще более высокого давления увеличило бы выход, но сопряжено со значительным удорожанием и усложнением оборудования.

Катализатор
Для достижения приемлемой скорости реакции при выбранной температуре необходимо использовать катализатор. Он не влияет на положение равновесия, но многократно ускоряет как прямую, так и обратную реакции, позволяя быстрее достичь равновесного состояния. В качестве катализатора применяют пористое железо, активированное (промотированное) оксидами калия ($K_2O$), алюминия ($Al_2O_3$) и кальция ($CaO$).

Принцип циркуляции
Даже при оптимальных условиях выход аммиака за один проход газовой смеси через катализатор невысок (15–25%). Чтобы увеличить степень превращения исходных веществ, применяют принцип циркуляции. Газовую смесь после реактора охлаждают. Аммиак, имея более высокую температуру кипения по сравнению с азотом и водородом, конденсируется в жидкость и отделяется. Непрореагировавшие азот и водород смешиваются со свежей порцией исходных газов и снова направляются в реактор. Этот непрерывный цикл позволяет довести общую степень превращения реагентов почти до 100%.

Ответ: Промышленный синтез аммиака проводят при следующих оптимальных условиях:
• Температура: 400–500 °C;
• Давление: 15–35 МПа (150–350 атм);
• Катализатор: пористое железо с промоторами (например, оксидами $K_2O$, $Al_2O_3$, $CaO$);
• Принцип циркуляции: непрерывное удаление аммиака из реакционной смеси (обычно путем сжижения) и возврат непрореагировавших азота и водорода в реактор.