Номер 11, страница 93 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

11. Подготовьте сообщение по теме «Производство аммиака: от Габера до современности».

Историческое значение и открытие процесса Габера-Боша

До начала XX века производство азотных соединений, необходимых в первую очередь для сельского хозяйства (удобрения) и военной промышленности (взрывчатые вещества), зависело от природных источников, таких как чилийская селитра. Истощение этих запасов предвещало мировой продовольственный кризис. Проблема заключалась в фиксации атмосферного азота ($N_2$) — превращении его в химически активные соединения. Молекула азота чрезвычайно инертна из-за очень прочной тройной связи между атомами.

Революционный прорыв совершил немецкий химик Фриц Габер. В 1909 году он впервые в лабораторных условиях смог синтезировать аммиак ($NH_3$) напрямую из азота и водорода. Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) \quad \Delta H = -92.4 \ кДж/моль$

Процесс является обратимым и экзотермическим. Для смещения равновесия в сторону образования продукта, согласно принципу Ле Шателье, необходимо:

• Высокое давление: в левой части уравнения 4 моля газа, в правой — 2. Повышение давления сдвигает равновесие в сторону меньшего объема, то есть в сторону образования аммиака.
• Низкая температура: так как реакция экзотермическая, понижение температуры способствует смещению равновесия вправо. Однако при низкой температуре скорость реакции ничтожно мала.

Габер нашел компромисс: он использовал высокое давление (около 150–200 атмосфер) и умеренно высокую температуру (около 500 °C) в присутствии катализатора (изначально это были осмий и уран). Задачу промышленной реализации этого процесса решил инженер Карл Бош. Он разработал аппаратуру, способную выдерживать экстремальные условия, и нашел более дешевый и доступный катализатор на основе железа с активирующими добавками. Первый промышленный завод по производству аммиака по процессу Габера-Боша был запущен в Германии в 1913 году. Это открытие позволило решить проблему "азотного голода" и оказало огромное влияние на развитие сельского хозяйства и промышленности в XX веке.

Ответ: Процесс Габера-Боша, разработанный в начале XX века, стал первым промышленно успешным методом синтеза аммиака из атмосферного азота и водорода, основанным на применении высокого давления, повышенной температуры и катализаторов для преодоления инертности азота.

Эволюция технологии производства аммиака

С момента своего создания процесс Габера-Боша постоянно совершенствовался с целью повышения эффективности и снижения затрат. Основные направления модернизации включали:

• Катализаторы: на смену первым катализаторам из осмия и урана пришли более дешевые и эффективные железные катализаторы, промотированные (усиленные) оксидами алюминия ($Al_2O_3$), калия ($K_2O$) и кальция ($CaO$). Эти добавки увеличивают активную поверхность катализатора, его стабильность и устойчивость к каталитическим ядам. Современные катализаторы позволяют достигать высокого выхода аммиака при более низких давлениях и температурах, чем в первых установках.
• Источники водорода: изначально водород получали путем электролиза воды, что было очень энергозатратно. Позже перешли на газификацию угля. Сегодня основным сырьем для получения водорода является природный газ (метан, $CH_4$). Его подвергают паровой конверсии (риформингу):
  $CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3H_2$
  Полученный угарный газ ($CO$) далее реагирует с водяным паром для получения дополнительного водорода (реакция конверсии водяного газа):
  $CO + H_2O \rightleftharpoons CO_2 + H_2$
  Перед подачей в реактор синтеза аммиака азотоводородную смесь тщательно очищают от примесей ($CO, CO_2$), которые являются ядами для железного катализатора.
• Энергоэффективность: современные заводы по производству аммиака — это высокоинтегрированные системы. Тепло, выделяющееся в ходе экзотермической реакции синтеза, используется для подогрева исходных газов, производства пара высокого давления, который вращает турбины компрессоров и генераторов, покрывая значительную часть энергетических потребностей самого завода. Это значительно снижает общее потребление энергии.

Ответ: Эволюция производства аммиака шла по пути усовершенствования катализаторов, перехода на более дешевое сырье для получения водорода (природный газ), а также кардинального повышения энергоэффективности за счет рекуперации тепла и интеграции технологических процессов.

Современное производство аммиака и перспективы развития

Сегодня производство аммиака — одна из самых крупнотоннажных отраслей химической промышленности. Современные агрегаты синтеза аммиака представляют собой огромные комплексы с единичной мощностью до 3000-5000 тонн в сутки. Процесс полностью автоматизирован и оптимизирован с помощью компьютерного моделирования для достижения максимальной производительности.

Однако у современного производства есть серьезный недостаток — высокий углеродный след. Поскольку основным сырьем является природный газ, процесс сопровождается выделением огромного количества диоксида углерода ($CO_2$), что делает его одним из главных промышленных источников парниковых газов. Это ставит перед отраслью новые вызовы, связанные с необходимостью декарбонизации.

Главной перспективой является переход на производство так называемого "зеленого" аммиака. В этой концепции изменяется способ получения ключевого компонента — водорода:

• Водород получают методом электролиза воды.
• Электроэнергия для электролиза поставляется из возобновляемых источников (ВИЭ): солнечных, ветровых или гидроэлектростанций.
• Азот, как и прежде, получают из воздуха.

В результате такого процесса синтез аммиака становится практически углеродно-нейтральным. "Зеленый" аммиак может использоваться не только для производства удобрений, но и как чистое топливо или способ хранения и транспортировки водорода. Несмотря на то, что сегодня стоимость "зеленого" аммиака значительно выше традиционного, развитие технологий ВИЭ и электролиза делает этот путь все более реалистичным. Ведутся также исследования по разработке принципиально новых катализаторов, способных работать при комнатной температуре и атмосферном давлении, например, в рамках электрохимического синтеза, что может полностью изменить технологию в будущем.

Ответ: Современное производство аммиака высокоэффективно, но экологически небезопасно из-за выбросов $CO_2$. Будущее отрасли связано с переходом на "зеленый" аммиак, получаемый с использованием водорода из возобновляемых источников энергии, что позволит кардинально снизить углеродный след и использовать аммиак в качестве чистого энергоносителя.