Номер 2, страница 192 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Вопросы в начале параграфа. Параграф 43. Химия в промышленности. Принципы химического производства. Глава VIII. Химия и жизнь - номер 2, страница 192.

Условие.

• Как в промышленности получают аммиак и синтез-газ?

Решение.

Решение 2.

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.