Номер 3, 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 3, страница 192.

Условие.

• Какой катализатор используют при синтезе аммиака?

Решение.

Решение 2.

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.