Номер 9, страница 107 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

9. Найдите информацию о нескольких конкретных процессах химической промышленности, которые требуют участия катализаторов.

Катализаторы играют ключевую роль в подавляющем большинстве процессов химической промышленности. Они позволяют значительно увеличить скорость химических реакций, проводить их при более низких температурах и давлениях, а также повышать селективность (избирательность) процесса, то есть получать преимущественно целевой продукт. Это делает производства более эффективными, экономически выгодными и экологически безопасными. Ниже приведены несколько примеров крупнотоннажных промышленных процессов, которые невозможны без участия катализаторов.

Производство аммиака (процесс Габера-Боша)

Синтез аммиака из атмосферного азота и водорода — основа для производства азотных удобрений, от которых зависит продовольственная безопасность мира. Также аммиак используется в производстве азотной кислоты, полимеров и взрывчатых веществ. Реакция является обратимой и экзотермической.

Уравнение реакции: $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$

Без катализатора эта реакция протекает с ничтожно малой скоростью. В промышленности используют гетерогенный катализатор — пористое железо, активированное (промотированное) оксидами алюминия ($Al_2O_3$), калия ($K_2O$) и кальция ($CaO$). Процесс ведут при температуре 400–500 °C и давлении 15–35 МПа (150–350 атмосфер), что является компромиссом между скоростью реакции и положением химического равновесия.

Ответ: Процесс Габера-Боша для синтеза аммиака использует в качестве катализатора пористое железо с промоторами (оксидами $Al_2O_3$, $K_2O$ и др.).

Производство серной кислоты (контактный способ)

Серная кислота является одним из самых производимых химических продуктов в мире. Она применяется в производстве минеральных удобрений (суперфосфата), химических волокон, красителей, в металлургии и нефтепереработке. Ключевая стадия производства — каталитическое окисление диоксида серы в триоксид серы.

Уравнение каталитической стадии: $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$

В качестве катализатора в этом процессе выступает оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), нанесенный на пористый инертный носитель (например, силикагель $SiO_2$ или алюмосиликат). Реакция проводится при температуре около 450 °C и давлении, близком к атмосферному. Использование катализатора позволяет достичь высокого (99.5-99.7%) превращения $SO_2$ в $SO_3$.

Ответ: В контактном способе производства серной кислоты окисление диоксида серы в триоксид серы происходит на катализаторе на основе оксида ванадия(V).

Производство азотной кислоты (процесс Оствальда)

Азотная кислота — важное сырье для получения аммиачной селитры (удобрение и компонент взрывчатых веществ), органических красителей, нитроцеллюлозы и различных нитросоединений. Процесс ее получения включает три стадии, первая и самая важная из которых — каталитическое окисление аммиака.

Уравнение первой стадии: $4NH_3(g) + 5O_2(g) \rightarrow 4NO(g) + 6H_2O(g)$

Процесс ведут при высокой температуре (800–950 °C) и атмосферном давлении, пропуская смесь аммиака с воздухом через катализаторные сетки. Сетки изготавливают из сплава платины с родием (5–10 % Rh) или платины с родием и палладием. Катализатор обеспечивает очень высокую скорость и селективность реакции, достигая выхода оксида азота(II) до 98%.

Ответ: На первой стадии производства азотной кислоты по методу Оствальда используется платино-родиевый катализатор для окисления аммиака в оксид азота(II).

Каталитический крекинг нефти

Это один из важнейших процессов нефтепереработки, предназначенный для получения высокооктановых компонентов бензина, а также сырья для нефтехимии (например, пропилена и бутиленов) из тяжелых нефтяных фракций (газойля, мазута).

Процесс заключается в расщеплении крупных молекул углеводородов на более мелкие при высокой температуре и в присутствии катализатора. Например, расщепление алкана: $C_{16}H_{34} \rightarrow C_8H_{18} + C_8H_{16}$.

В качестве катализаторов используются алюмосиликаты, в частности, синтетические цеолиты. Это микропористые кристаллические вещества, обладающие высокой кислотностью и селективностью. Процесс обычно проводят в "кипящем слое" катализатора при температуре 480–550 °C.

Ответ: Процесс каталитического крекинга для производства бензина и другого ценного сырья из тяжелых фракций нефти использует цеолитные катализаторы.