Номер A, страница 167 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

A

1. Почему при синтезе $NH_3$ используется циклический принцип?

2. Сколько тепла поглощается при разложении аммиака объемом 5 м³?

$2NH_3 \rightarrow N_2 + 3H_2 - 46,19 \text{ кДж}$

Ответ: 5155,13 кДж.

1. Почему при синтезе NH₃ используется циклический принцип?

Синтез аммиака из азота и водорода, известный как процесс Габера-Боша, является обратимой экзотермической реакцией:

$N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} + Q$

Эта реакция не доходит до конца, и равновесный выход аммиака за один проход через реактор в промышленных условиях (температура 400-500 °C, давление 15-35 МПа, катализатор) относительно низок — всего 15-25%. Это значит, что на выходе из реактора газовая смесь состоит не только из продукта (аммиака), но и из большого количества непрореагировавших исходных газов (азота и водорода).

Чтобы повысить общую эффективность процесса и сделать его экономически выгодным, применяют циклический принцип (принцип циркуляции). Его суть в следующем:

1. Горячая газовая смесь, выходящая из реактора, охлаждается.

2. Аммиак имеет значительно более высокую температуру кипения ($t_{кип}(NH_3) = -33,4 \ °C$) по сравнению с азотом ($t_{кип}(N_2) = -195,8 \ °C$) и водородом ($t_{кип}(H_2) = -252,9 \ °C$). Благодаря этому при охлаждении аммиак легко сжижается и отделяется от остальных газов в специальном аппарате — сепараторе.

3. Непрореагировавшие азот и водород, оставшиеся в газообразном состоянии, смешиваются со свежей порцией исходных газов и направляются обратно в реактор для повторного участия в реакции.

Такой замкнутый технологический цикл позволяет многократно использовать ценное сырье, доводя итоговую степень превращения реагентов в аммиак почти до 100%. Это кардинально снижает себестоимость продукта и потери реагентов.

Ответ: Циклический принцип в синтезе аммиака используется потому, что реакция его образования обратима и имеет низкий выход за один проход. Чтобы сделать процесс экономически целесообразным, непрореагировавшие газы (азот и водород) отделяют от полученного аммиака и возвращают в начало процесса (в реактор). Это позволяет максимально полно использовать исходное сырье.

2. Сколько тепла поглощается при разложении аммиака объемом 5 м³?

Дано:

$V(NH_3) = 5 \ м^3$

Термохимическое уравнение: $2NH_3 \rightarrow N_2 + 3H_2 - 46,19 \ кДж$

Так как условия не указаны, принимаем их за нормальные (н.у.). Молярный объем газа при н.у. составляет $V_m = 22,4 \ л/моль$. В системе СИ это значение равно $22,4 \cdot 10^{-3} \ м^3/моль$.

Найти:

$Q$ - ?

Решение:

Термохимическое уравнение реакции показывает, что для разложения 2 моль аммиака ($NH_3$) необходимо поглотить 46,19 кДж теплоты.

1. Определим количество вещества аммиака, содержащееся в объеме 5 м³ при нормальных условиях:

$\nu(NH_3) = \frac{V(NH_3)}{V_m} = \frac{5 \ м^3}{22,4 \cdot 10^{-3} \ м^3/моль} \approx 223,214 \ моль$

2. Составим и решим пропорцию для нахождения общего количества поглощенной теплоты ($Q$):

При разложении 2 моль $NH_3$ — поглощается 46,19 кДж

При разложении 223,214 моль $NH_3$ — поглощается $Q$ кДж

$Q = \frac{223,214 \ моль \cdot 46,19 \ кДж}{2 \ моль} \approx 5155,13 \ кДж$

Ответ: При разложении аммиака объемом 5 м³ поглощается 5155,13 кДж тепла.