✔ вопрос, страница 137 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

Вы познакомились с производством простых веществ — неметаллов. А как в промышленности получают важнейшие соединения неметаллов?

В промышленности важнейшие соединения неметаллов получают в ходе многостадийных крупнотоннажных производств, основанных на использовании доступного природного сырья. Основные принципы таких производств — непрерывность, комплексное использование сырья, утилизация отходов и автоматизация. Рассмотрим получение некоторых ключевых соединений.

Производство аммиака ($NH_3$)

Основным промышленным способом получения аммиака является процесс Габера-Боша — прямой каталитический синтез из азота и водорода. Азот для синтеза получают фракционной перегонкой сжиженного воздуха, а водород — паровой конверсией метана (основного компонента природного газа). Реакция синтеза аммиака обратима и экзотермична:

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

Для смещения равновесия в сторону продукта, согласно принципу Ле Шателье, процесс ведут при высоких давлениях (15–35 МПа), умеренно высоких температурах (400–500 °С) для достижения приемлемой скорости реакции и в присутствии гетерогенного катализатора (пористое железо с активаторами — оксидами алюминия, калия и др.).

Ответ: Аммиак в промышленности получают каталитическим синтезом из азота и водорода при высоком давлении и температуре (процесс Габера-Боша).

Производство серной кислоты ($H_2SO_4$)

Серную кислоту производят контактным способом, который включает три основные стадии. В качестве сырья используют серу, сульфидные руды (например, пирит $FeS_2$) или сероводород $H_2S$.

Стадия 1: Получение оксида серы(IV) ($SO_2$) путем сжигания сырья в избытке воздуха. Например, при сжигании серы:

$S (тв) + O_2 (г) \rightarrow SO_2 (г)$

Стадия 2: Каталитическое окисление $SO_2$ до оксида серы(VI) ($SO_3$). Это ключевая, обратимая и экзотермическая стадия, протекающая на поверхности катализатора (оксид ванадия(V) $V_2O_5$ на носителе) при температуре 450–500 °С:

$2SO_2 (г) + O_2 (г) \rightleftharpoons 2SO_3 (г) + Q$

Стадия 3: Поглощение $SO_3$ концентрированной серной кислотой (98%) с образованием олеума ($H_2S_2O_7$), который затем разбавляют водой до нужной концентрации. Прямое поглощение оксида водой не используется из-за образования трудноуловимого тумана серной кислоты.

$SO_3 (г) + H_2SO_4 (конц) \rightarrow H_2S_2O_7 (ж)$

$H_2S_2O_7 (ж) + H_2O (ж) \rightarrow 2H_2SO_4 (конц)$

Ответ: Серную кислоту в промышленности получают контактным способом, который включает сжигание серы до $SO_2$, каталитическое окисление $SO_2$ в $SO_3$ и поглощение $SO_3$ концентрированной серной кислотой с образованием олеума и его последующим разбавлением.

Производство азотной кислоты ($HNO_3$)

Промышленный синтез азотной кислоты основан на методе Оствальда и включает каталитическое окисление аммиака, который является исходным сырьем. Процесс состоит из трёх стадий.

Стадия 1: Контактное окисление аммиака кислородом воздуха на платино-родиевых каталитических сетках при температуре 850–950 °С:

$4NH_3 (г) + 5O_2 (г) \xrightarrow{Pt-Rh, T} 4NO (г) + 6H_2O (г)$

Стадия 2: Окисление оксида азота(II) до оксида азота(IV) кислородом воздуха при охлаждении газовой смеси:

$2NO (г) + O_2 (г) \rightarrow 2NO_2 (г)$

Стадия 3: Поглощение оксида азота(IV) (в виде его димера $N_2O_4$) водой в присутствии избытка кислорода в абсорбционных колоннах:

$4NO_2 (г) + O_2 (г) + 2H_2O (ж) \rightarrow 4HNO_3 (ж)$

Ответ: Азотную кислоту в промышленности получают каталитическим окислением аммиака кислородом воздуха с последующим окислением образовавшегося $NO$ до $NO_2$ и его поглощением водой в присутствии кислорода.

Производство фосфорной (ортофосфорной) кислоты ($H_3PO_4$)

Существует два основных промышленных метода получения фосфорной кислоты: экстракционный (сернокислотный) и термический.

Экстракционный метод: Природные фосфаты (апатиты, например $Ca_5(PO_4)_3F$, или фосфориты) разлагают серной кислотой:

$Ca_5(PO_4)_3F + 5H_2SO_4 + 10H_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + 5(CaSO_4 \cdot 2H_2O)\downarrow + HF\uparrow$

Этот метод наиболее экономичен, но дает техническую кислоту, которую в основном используют для производства фосфорных удобрений.

Термический метод: Сначала из фосфатов электротермическим способом получают элементарный фосфор. Затем фосфор сжигают до оксида фосфора(V), а полученный оксид гидратируют водой:

$P_4 + 5O_2 \rightarrow P_4O_{10}$

$P_4O_{10} + 6H_2O \rightarrow 4H_3PO_4$

Этот способ позволяет получить очень чистую кислоту, пригодную для пищевой промышленности и производства чистых реактивов, но он более энергозатратный и дорогой.

Ответ: Фосфорную кислоту получают либо обработкой природных фосфатов серной кислотой (экстракционный метод для производства удобрений), либо сжиганием фосфора с последующей гидратацией оксида (термический метод для получения чистой кислоты).

Производство соляной кислоты ($HCl$)

Основной промышленный способ получения хлороводорода — прямой синтез из простых веществ: водорода и хлора. Эти газы в больших количествах получают как продукты электролиза водных растворов хлорида натрия.

Синтез проводят в специальных печах, инициируя реакцию горением струи водорода в атмосфере хлора:

$H_2 (г) + Cl_2 (г) \rightarrow 2HCl (г)$

Полученный газообразный хлороводород ($HCl$) затем растворяют в воде в специальных поглотительных башнях (абсорберах) до получения соляной кислоты требуемой концентрации.

Ответ: Соляную кислоту получают растворением в воде хлороводорода, который синтезируют прямым сжиганием водорода в хлоре.