Номер 10, страница 202 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

10. Как получают аммиак: а) в промышленности; б) в лабораторных условиях?

а) в промышленности

В промышленности аммиак ($NH_3$) получают синтезом из простых веществ — азота ($N_2$) и водорода ($H_2$) — по процессу Габера-Боша. Это один из самых важных промышленных химических процессов.

Сырьем служат азот, получаемый фракционной перегонкой жидкого воздуха, и водород, который в основном производят паровой конверсией метана (природного газа).

Реакция синтеза аммиака является обратимой, экзотермической и протекает с уменьшением объема газов: $N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} + Q$ (где Q = 92,4 кДж)

Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону образования продукта (аммиака) необходимо:

• Повышенное давление: Так как реакция идет с уменьшением числа молей газа (из 4 молей исходных газов образуется 2 моля продукта), высокое давление способствует смещению равновесия вправо. В промышленности процесс ведут при давлении 15–35 МПа (150–350 атмосфер).
• Пониженная температура: Так как прямая реакция экзотермическая, понижение температуры смещает равновесие в сторону продукта. Однако при низкой температуре скорость реакции очень мала. Поэтому выбирают компромиссную температуру около 400–500 °C, которая обеспечивает приемлемую скорость реакции при достаточно высоком выходе продукта.
• Использование катализатора: Для увеличения скорости реакции используют катализатор. Обычно это пористое (губчатое) железо с добавками (промоторами) оксидов алюминия ($Al_2O_3$) и калия ($K_2O$).

Технологический процесс включает очистку азотно-водородной смеси, ее сжатие, нагрев и пропускание через катализатор в колонне синтеза. Образовавшийся аммиак отделяют от непрореагировавших газов путем охлаждения и конденсации (аммиак сжижается при –33 °C, а азот и водород остаются газами). Непрореагировавшие газы возвращают в цикл (рециркуляция).

Ответ: В промышленности аммиак получают каталитическим синтезом из азота и водорода (процесс Габера-Боша) при высокой температуре (400–500 °C), высоком давлении (15–35 МПа) и с использованием железного катализатора.

б) в лабораторных условиях

В лаборатории аммиак получают в небольших количествах, используя более простые и безопасные методы, чем в промышленности. Наиболее распространенный способ — это действие сильных щелочей на соли аммония при слабом нагревании.

Чаще всего используют смесь хлорида аммония ($NH_4Cl$) и гидроксида кальция ($Ca(OH)_2$), так как гидроксид кальция является дешевой и негигроскопичной щелочью.

Уравнение реакции: $2NH_4Cl_{(тв)} + Ca(OH)_{2(тв)} \xrightarrow{t} CaCl_2 + 2H_2O + 2NH_{3(г)}\uparrow$

Реакционную смесь (твердые вещества) помещают в пробирку или колбу и осторожно нагревают. Выделяющийся газообразный аммиак собирают. Поскольку аммиак легче воздуха (молярная масса 17 г/моль против средней молярной массы воздуха ~29 г/моль) и очень хорошо растворяется в воде, его собирают методом вытеснения воздуха, располагая пробирку-приемник вверх дном.

Обнаружить аммиак можно по характерному резкому запаху или с помощью влажной индикаторной бумаги (красная лакмусовая бумага синеет, а фенолфталеиновая становится малиновой), так как водный раствор аммиака имеет щелочную среду.

Ответ: В лабораторных условиях аммиак получают при нагревании смеси соли аммония (например, хлорида аммония) с твердой щелочью (например, гидроксидом кальция).