Номер 7, страница 103 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

7. Сравните продукты реакции горения фосфина с продуктами горения и каталитического окисления аммиака. Как вы думаете, с чем связано различие?

Сравнение продуктов реакции горения фосфина с продуктами горения и каталитического окисления аммиака

Для проведения сравнения необходимо рассмотреть уравнения трех химических процессов и их продукты.

1. Горение фосфина ($PH_3$). Фосфин (гидрид фосфора) является аналогом аммиака. При его сгорании в кислороде образуется высший оксид фосфора(V) и вода. Степень окисления фосфора повышается с -3 до +5.

$$2PH_3 + 4O_2 \rightarrow P_2O_5 + 3H_2O$$

Продукты: оксид фосфора(V) ($P_2O_5$) и вода ($H_2O$).

2. Горение аммиака ($NH_3$) без катализатора. При горении аммиака без катализатора ("мягкое" окисление) азот окисляется до простого вещества — молекулярного азота, в котором его степень окисления равна 0.

$$4NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2N_2 + 6H_2O$$

Продукты: азот ($N_2$) и вода ($H_2O$).

3. Каталитическое окисление аммиака ($NH_3$). В присутствии катализатора (например, платины) и при высокой температуре ("жесткое" окисление) реакция идет с образованием оксида азота(II), где степень окисления азота равна +2.

$$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt, t^\circ} 4NO + 6H_2O$$

Продукты: оксид азота(II) ($NO$) и вода ($H_2O$).

Таким образом, можно заключить, что общим продуктом для всех трех реакций является вода. Основное отличие заключается в продуктах окисления неметалла (P или N): фосфин окисляется до высшего оксида ($P_2O_5$), тогда как аммиак, в зависимости от условий, окисляется либо до простого вещества ($N_2$), либо до оксида ($NO$).

С чем связано различие?

Различия в продуктах реакций обусловлены термодинамическими и кинетическими факторами.

1. Различие между горением фосфина и некаталитическим горением аммиака.

Это различие объясняется высокой термодинамической стабильностью продуктов. Молекула азота ($N_2$) обладает чрезвычайно прочной тройной связью ($N \equiv N$) с энергией диссоциации около 945 кДж/моль. Образование такой устойчивой молекулы является энергетически очень выгодным процессом. У фосфора нет аналогичной стабильной простой молекулы с кратными связями (он образует полимерные или молекулярные структуры с одинарными связями), поэтому его окисление идет до конца — до термодинамически устойчивого высшего оксида $P_2O_5$.

2. Различие между каталитическим и некаталитическим горением аммиака.

Здесь ключевую роль играет кинетический фактор. Катализатор (например, платина) изменяет механизм реакции, предоставляя альтернативный путь с более низкой энергией активации для образования оксида азота(II) ($NO$). В результате, хотя образование $N_2$ по-прежнему термодинамически более выгодно, реакция образования $NO$ в присутствии катализатора протекает значительно быстрее и становится основной. Без катализатора реакция идет по более медленному, термодинамически контролируемому пути с образованием $N_2$.

Ответ: Продуктами горения фосфина являются оксид фосфора(V) ($P_2O_5$) и вода. Продуктами горения аммиака без катализатора являются азот ($N_2$) и вода, а в присутствии катализатора — оксид азота(II) ($NO$) и вода. Различие между продуктами горения фосфина и аммиака объясняется чрезвычайной термодинамической стабильностью молекулы $N_2$ с прочной тройной связью, что делает ее образование предпочтительным. Различие между каталитическим и некаталитическим окислением аммиака связано с действием катализатора, который изменяет механизм реакции, делая кинетически более выгодным путь образования $NO$.