Номер C, страница 162 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

C

1. Расскажите о промышленном способе получения аммиака. Объясните условия синтеза с точки зрения принципа Ле- Шателье – Брауна.

2. Что вы знаете о солях аммония? Приведите уравнения, характеризующие их химические свойства.

3. В предложенных уравнениях найдите качественную реакцию на ион $NH_4^+$. Напишите полное и сокращенное уравнение реакций.

a) $2NH_3 + H_2SO_4 = (NH_4)_2SO_4;$

б) $NH_3 + HCl = NH_4Cl;$

в) $(NH_4)_2CO_3 + 2HCl = 2NH_4Cl + CO_2\uparrow + H_2O;$

г) $(NH_4)_2CO_3 + 2NaOH = Na_2CO_3 + 2H_2o + NH_3\uparrow.$

д) $NH_4NO_3 = N_2o + 2H_2O.$

1. Промышленный способ получения аммиака — это процесс Габера-Боша, основанный на прямом синтезе аммиака из азота и водорода.

Уравнение реакции:

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

Реакция является обратимой, экзотермической (протекает с выделением теплоты), каталитической и протекает с уменьшением объема (из 4 объемов газов-реагентов получается 2 объема газа-продукта).

Объяснение оптимальных условий синтеза с точки зрения принципа Ле Шателье–Брауна:

Принцип Ле Шателье–Брауна гласит: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится в направлении, которое ослабляет это воздействие.

• Температура: Так как прямая реакция синтеза аммиака экзотермична ($+Q$), согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону продукта (аммиака) необходимо понижать температуру. Однако при низкой температуре скорость реакции очень мала. Поэтому на практике используют компромиссную температуру около 400–500 °C, которая обеспечивает приемлемую скорость реакции при достаточно высоком выходе аммиака.
• Давление: Прямая реакция протекает с уменьшением числа молей газов (из 4 моль $N_2$ и $H_2$ образуется 2 моль $NH_3$). Согласно принципу Ле Шателье, повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего объема, то есть в сторону образования аммиака. Поэтому процесс ведут при высоком давлении (15–35 МПа, или 150–350 атм, а на некоторых производствах и выше).
• Концентрация: Для смещения равновесия вправо необходимо увеличивать концентрации исходных веществ ($N_2$ и $H_2$) и уменьшать концентрацию продукта ($NH_3$). На практике это достигается путем непрерывного удаления аммиака из реакционной смеси (методом конденсации, т.к. аммиак сжижается легче, чем азот и водород) и возвращением непрореагировавших газов обратно в реактор (рециркуляция).
• Катализатор: Катализатор (обычно пористое железо с оксидами алюминия, калия и кальция в качестве промоторов) не влияет на положение равновесия, но значительно увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакции. Его применение позволяет достичь равновесия значительно быстрее при более низкой температуре, что делает процесс экономически выгодным.

Ответ: Промышленный синтез аммиака (процесс Габера-Боша) проводят при температуре 400–500 °C, давлении 15–35 МПа, с использованием железного катализатора и постоянным удалением аммиака из реакционной смеси. Эти условия являются компромиссом между термодинамическими требованиями (принцип Ле Шателье для максимального выхода) и кинетическими факторами (скорость реакции).

2. Соли аммония — это сложные вещества, состоящие из катиона аммония $NH_4^+$ и аниона кислотного остатка. Они являются солями слабого основания ($NH_3 \cdot H_2O$) и различных кислот. Все соли аммония — твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде.

Основные химические свойства солей аммония:

1. Термическое разложение. Характер продуктов разложения зависит от кислоты, образующей соль:

   • Соли, образованные нелетучими кислотами, разлагаются с выделением аммиака:

     $(NH_4)_2SO_4 \xrightarrow{t} NH_4HSO_4 + NH_3\uparrow$

   • Соли, образованные летучими кислотами, разлагаются на аммиак и кислоту:

     $NH_4Cl(т) \rightleftharpoons NH_3(г) + HCl(г)$

   • Соли, в которых анион является окислителем (например, соли азотной и азотистой кислот), разлагаются в результате внутримолекулярной окислительно-восстановительной реакции:

     $NH_4NO_3 \xrightarrow{t} N_2O\uparrow + 2H_2O$

     $NH_4NO_2 \xrightarrow{t} N_2\uparrow + 2H_2O$

2. Взаимодействие со щелочами. Это качественная реакция на ион аммония. При нагревании раствора соли аммония с раствором щелочи выделяется газообразный аммиак с характерным резким запахом.

   $NH_4^+ + OH^- \xrightarrow{t} NH_3\uparrow + H_2O$

   Например: $NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t} NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$

3. Гидролиз. Поскольку соли аммония образованы слабым основанием ($NH_3 \cdot H_2O$) и, как правило, сильной кислотой (например, $HCl, H_2SO_4$), их водные растворы имеют кислую среду ($pH < 7$) из-за гидролиза по катиону:

   $NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O + H^+$

4. Обменные реакции. Соли аммония вступают в реакции ионного обмена, если образуется осадок, газ или слабый электролит.

   $(NH_4)_2SO_4 + Ba(NO_3)_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NH_4NO_3$

Ответ: Соли аммония - кристаллические вещества, содержащие ион $NH_4^+$. Для них характерны реакции термического разложения, взаимодействие со щелочами с выделением аммиака (качественная реакция), гидролиз по катиону с образованием кислой среды и реакции ионного обмена.

3. Решение

Качественной реакцией на ион аммония $NH_4^+$ является его взаимодействие с сильными основаниями (щелочами) при нагревании. В результате этой реакции выделяется газообразный аммиак $NH_3$, который можно обнаружить по характерному резкому запаху или с помощью влажной индикаторной бумаги (красная лакмусовая бумага синеет).

Проанализируем предложенные уравнения:

а) $2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$ — реакция образования соли аммония.

б) $NH_3 + HCl \rightarrow NH_4Cl$ — реакция образования соли аммония.

в) $(NH_4)_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NH_4Cl + CO_2\uparrow + H_2O$ — реакция ионного обмена между солью аммония и кислотой, но она характеризует свойства карбонат-иона, а не иона аммония.

г) $(NH_4)_2CO_3 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + 2H_2O + NH_3\uparrow$ — реакция соли аммония со щелочью с выделением аммиака. Это и есть качественная реакция на ион $NH_4^+$. (Примечание: в условии опечатка, должно быть $2NH_3\uparrow$. Для расчетов используется правильное стехиометрически уравнение).

д) $NH_4NO_3 \rightarrow N_2O + 2H_2O$ — реакция термического разложения, не является качественной реакцией в растворе.

Таким образом, качественной является реакция г). Запишем для нее полное и сокращенное ионное уравнения, используя правильные коэффициенты:

Полное молекулярное уравнение:

$(NH_4)_2CO_3 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + 2NH_3\uparrow + 2H_2O$

Полное ионное уравнение (учитывая, что $(NH_4)_2CO_3$, $NaOH$ и $Na_2CO_3$ — сильные электролиты, растворимые в воде, а $NH_3$ — газ, и $H_2O$ — слабый электролит):

$2NH_4^+ + CO_3^{2-} + 2Na^+ + 2OH^- \rightarrow 2Na^+ + CO_3^{2-} + 2NH_3\uparrow + 2H_2O$

Сокращенное ионное уравнение (после сокращения одинаковых ионов $Na^+$ и $CO_3^{2-}$ в левой и правой частях):

$2NH_4^+ + 2OH^- \rightarrow 2NH_3\uparrow + 2H_2O$

Разделив все коэффициенты на 2, получим:

$NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3\uparrow + H_2O$

Ответ: Качественной реакцией на ион $NH_4^+$ является реакция г).

Полное ионное уравнение: $2NH_4^+ + CO_3^{2-} + 2Na^+ + 2OH^- \rightarrow 2Na^+ + CO_3^{2-} + 2NH_3\uparrow + 2H_2O$.

Сокращенное ионное уравнение: $NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3\uparrow + H_2O$.