Номер 9, страница 155 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

9. Сульфат аммония наряду с аммиачной селитрой является важным азотным удобрением. Предложите метод его получения из азота.

Дано:

Исходное вещество для получения азотной составляющей удобрения - азот ($N_2$).

Найти:

Метод получения сульфата аммония ($(NH_4)_2SO_4$).

Решение:

Для получения сульфата аммония ($(NH_4)_2SO_4$) необходимы аммиак ($NH_3$) и серная кислота ($H_2SO_4$). Процесс получения целевого продукта из азота можно представить в виде последовательности химических превращений.

1. Получение аммиака ($NH_3$) из азота

Аммиак в промышленности получают каталитическим синтезом из азота и водорода. Этот процесс известен как процесс Габера-Боша. Азот берут из воздуха, а водород получают, например, паровой конверсией метана.

Реакция синтеза аммиака является обратимой и экзотермической. Для смещения химического равновесия в сторону образования продукта, согласно принципу Ле Шателье, процесс ведут при высоком давлении, повышенной температуре и в присутствии катализатора (пористое железо).

Уравнение реакции:

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

Промышленные условия: температура 400–500 °C, давление 15–35 МПа, катализатор.

2. Получение серной кислоты ($H_2SO_4$)

Серную кислоту получают так называемым контактным способом. Исходным сырьем для ее производства служит сера ($S$) или сульфид железа(II) (пирит $FeS_2$). Рассмотрим получение из серы.

Стадия а: Получение оксида серы(IV) ($SO_2$).

Серу сжигают в печах в токе осушенного воздуха (кислорода):

$S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$

Стадия б: Каталитическое окисление $SO_2$ до $SO_3$.

Это ключевая, лимитирующая стадия всего процесса. Оксид серы(IV) окисляют кислородом воздуха на катализаторе при повышенной температуре. Реакция обратимая и экзотермическая.

$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

Условия: температура 450-500 °C, катализатор – оксид ванадия(V) ($V_2O_5$).

Стадия в: Получение серной кислоты.

Оксид серы(VI) ($SO_3$) поглощают не водой, а концентрированной серной кислотой (98%) с образованием олеума ($H_2S_2O_7$). Это делается для предотвращения образования тумана серной кислоты, который возникает при прямой реакции $SO_3$ с водой. Затем олеум разбавляют водой до получения серной кислоты нужной концентрации.

$SO_3 + H_2SO_4 (конц.) \rightarrow H_2S_2O_7$

$H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$

3. Получение сульфата аммония ($(NH_4)_2SO_4$)

На заключительном этапе проводят реакцию нейтрализации между полученными на предыдущих стадиях аммиаком (который проявляет основные свойства) и серной кислотой.

Для этого газообразный аммиак пропускают через раствор серной кислоты:

$2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$

В результате реакции образуется раствор соли, из которого затем выпариванием воды выделяют кристаллический сульфат аммония.

Ответ:

Метод получения сульфата аммония из азота представляет собой многостадийный синтез:

1. Получение аммиака синтезом из азота и водорода (процесс Габера-Боша): $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$.

2. Получение серной кислоты контактным способом, включающим сжигание серы до $SO_2$, каталитическое окисление $SO_2$ до $SO_3$ и последующее получение кислоты из $SO_3$.

3. Реакция нейтрализации полученного аммиака серной кислотой: $2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$.