Вопрос?, страница 166 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

Установление равновесия в промышленных производствах с многотоннажным выходом – нежелательное явление. Поэтому изысканы способы смещения равновесия химической реакции в нужном направлении.

Как это достигается?

Для смещения химического равновесия в промышленных процессах, с целью увеличения выхода целевого продукта, применяют несколько способов. Все они основаны на принципе Ле Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится в том направлении, которое ослабляет это воздействие.

Достигается это следующими основными способами:

1. Изменение концентрации

Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону продуктов (вправо) можно либо увеличивать концентрацию исходных веществ (реагентов), либо уменьшать концентрацию продуктов реакции.

• Увеличение концентрации реагентов. В промышленных реакторах это реализуется путем непрерывной подачи исходных веществ.
• Уменьшение концентрации продуктов. Продукты реакции постоянно удаляют из реакционной смеси. Например, при синтезе аммиака продукт ($NH_3$) имеет более высокую температуру кипения, чем реагенты ($N_2$ и $H_2$), поэтому его можно сконденсировать (сжижить) и вывести из системы, заставляя равновесие смещаться в сторону образования новых порций аммиака.

2. Изменение давления (для реакций с участием газов)

Этот фактор имеет значение только для реакций, в которых изменяется количество молей газообразных веществ.

• Повышение давления смещает равновесие в сторону реакции, которая приводит к уменьшению общего числа молей газов (то есть к уменьшению объема системы).
• Понижение давления смещает равновесие в сторону реакции, которая приводит к увеличению общего числа молей газов.

Классическим примером является процесс Габера-Боша (синтез аммиака):

$N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г)$

В левой части уравнения находятся 4 моль газа ($1+3$), а в правой — 2 моль. Следовательно, повышение давления способствует смещению равновесия вправо, увеличивая выход аммиака. Поэтому в промышленности этот процесс проводят при очень высоком давлении (15-35 МПа и выше).

3. Изменение температуры

Влияние температуры на равновесие зависит от теплового эффекта реакции ($\Delta H$).

• Повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции (идущей с поглощением тепла, $\Delta H > 0$).
• Понижение температуры смещает равновесие в сторону экзотермической реакции (идущей с выделением тепла, $\Delta H < 0$).

Синтез аммиака — экзотермическая реакция. Казалось бы, для максимального выхода продукта процесс нужно вести при как можно более низкой температуре. Однако при низких температурах скорость реакции очень мала, и достижение равновесия заняло бы слишком много времени. Поэтому на практике выбирают компромиссную, "оптимальную" температуру (около 400–500 °C), которая обеспечивает приемлемую скорость реакции при достаточно высоком равновесном выходе продукта. Для ускорения реакции при этой температуре обязательно используют катализатор.

Таким образом, в промышленности для смещения равновесия и увеличения выхода продукта целенаправленно подбирают и комбинируют оптимальные условия: концентрацию, давление и температуру. Важно также отметить, что катализатор не смещает равновесие, а лишь ускоряет его достижение, одинаково влияя на скорость прямой и обратной реакций.

Ответ: Смещение химического равновесия в промышленности достигается путем изменения условий реакции в соответствии с принципом Ле Шателье. Основные методы включают: 1) увеличение концентрации реагентов и/или удаление продуктов из реакционной зоны; 2) изменение давления (для газофазных реакций, идущих с изменением объема); 3) изменение температуры (ее повышают для эндотермических и понижают для экзотермических реакций). На практике эти условия оптимизируют для достижения компромисса между высоким выходом продукта и приемлемой скоростью реакции.