Номер 1, страница 141 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Назовите основные стадии химического производства:

а) серной кислоты;

б) аммиака.

а) серной кислоты;

Производство серной кислоты контактным способом включает в себя три основные стадии:

1. Получение сернистого газа ($SO_2$). На этой стадии происходит обжиг сырья, содержащего серу. Чаще всего используют пирит (железный колчедан $FeS_2$) или элементарную серу ($S$).

- Уравнение реакции обжига пирита: $4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 8SO_2$

- Уравнение реакции сжигания серы: $S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$

Полученный газ ("обжиговый газ") затем очищают от примесей (пыли, соединений мышьяка), которые могут дезактивировать ("отравить") катализатор на следующей стадии.

2. Каталитическое окисление сернистого газа в серный ангидрид ($SO_3$). Это ключевая стадия процесса, протекающая в контактном аппарате. Очищенный $SO_2$ окисляют кислородом воздуха в присутствии катализатора (обычно оксид ванадия(V) $V_2O_5$) при температуре 450–500 °C.

- Уравнение реакции: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3 + Q$

Реакция является обратимой и экзотермической. Для смещения равновесия вправо согласно принципу Ле Шателье применяют оптимальные условия: не слишком высокую температуру (чтобы не смещать равновесие влево) и использование катализатора (для увеличения скорости реакции).

3. Поглощение серного ангидрида ($SO_3$) и получение серной кислоты. Серный ангидрид поглощают не водой (так как это приводит к образованию трудноуловимого тумана серной кислоты), а концентрированной (98%) серной кислотой. В результате образуется олеум — раствор $SO_3$ в безводной серной кислоте.

- Уравнение реакции получения олеума: $H_2SO_4 \text{(конц.)} + SO_3 \rightarrow H_2S_2O_7$

Затем олеум разбавляют водой до получения серной кислоты необходимой концентрации.

- Уравнение реакции разбавления олеума: $H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$

Ответ: Основные стадии производства серной кислоты: 1) получение и очистка сернистого газа ($SO_2$); 2) каталитическое окисление $SO_2$ в серный ангидрид ($SO_3$); 3) поглощение $SO_3$ концентрированной серной кислотой с получением олеума и последующим его разбавлением до кислоты нужной концентрации.

б) аммиака;

Промышленный синтез аммиака (процесс Габера-Боша) состоит из следующих основных стадий:

1. Получение и очистка азотоводородной смеси. Азот ($N_2$) получают из сжиженного воздуха методом фракционной перегонки. Водород ($H_2$) чаще всего получают из природного газа (метана $CH_4$) методом паровой конверсии.

- Уравнение реакции конверсии метана: $CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3H_2$

Полученную смесь газов (синтез-газ) необходимо тщательно очистить от примесей, являющихся каталитическими ядами для катализатора синтеза аммиака, — в первую очередь от оксидов углерода ($CO$, $CO_2$) и соединений серы. Очистка доводит соотношение объемов газов до стехиометрического $N_2 : H_2 = 1 : 3$.

2. Каталитический синтез аммиака. Очищенную и сжатую до высокого давления (15–35 МПа или 150–350 атм) азотоводородную смесь нагревают до 400–500 °C и пропускают через колонну синтеза с катализатором. В качестве катализатора используют пористое железо, активированное оксидами алюминия, калия и кальция.

- Уравнение реакции: $N_2\text{(г)} + 3H_2\text{(г)} \rightleftharpoons 2NH_3\text{(г)} + Q$

Реакция обратима и экзотермична. Согласно принципу Ле Шателье, для максимального выхода аммиака необходимо высокое давление и низкая температура. Однако при низкой температуре скорость реакции слишком мала, поэтому выбирают компромиссные условия.

3. Разделение газовой смеси. После реактора газовая смесь, содержащая аммиак, а также непрореагировавшие азот и водород, охлаждается. Аммиак, имеющий более высокую температуру кипения (−33.4 °C), конденсируется в жидкость и отделяется от газовой фазы в сепараторе. Непрореагировавшие азот и водород с помощью циркуляционного насоса возвращаются обратно в колонну синтеза (принцип циркуляции), что позволяет достичь высокого общего выхода продукта.

Ответ: Основные стадии производства аммиака: 1) получение и очистка азотоводородной смеси в соотношении 1:3; 2) каталитический синтез аммиака из азота и водорода при высоком давлении и температуре; 3) сжижение и отделение аммиака от непрореагировавших газов с их возвращением в цикл.