Номер 45, страница 34 - гдз по химии 9 класс сборник задач и упражнений Габриелян, Тригубчак

Авторы: Габриелян О. С., Тригубчак И. В.
Тип: Сборник задач и упражнений
Издательство: Просвещение
Год издания: 2020 - 2025
Цвет обложки: белый, зелёный с кристаллом
ISBN: 978-5-09-073711-1
Популярные ГДЗ в 9 классе
Упражнения и задачи для самостоятельного решения. 4. Основы термохимии и химической кинетики - номер 45, страница 34.
№45 (с. 34)
Условие. №45 (с. 34)
скриншот условия

45. Получение аммиака из простых веществ (синтез Габера—Боша) является одним из самых важных промышленных синтезов. Однако несмотря на все усилия, на сегодняшний день выход аммиака в этой реакции не превышает 35—36 %. Это означает, что примерно $2/3$ реагентов приходится снова возвращать в систему. Запишите уравнение реакции (в прямом направлении реакция протекает с выделением теплоты). Проанализируйте все воздействия на систему, которые помогут сместить равновесие в сторону образования аммиака. Постарайтесь объяснить, почему не удается повысить выход синтеза Габера—Боша.
Решение. №45 (с. 34)


Решение 2. №45 (с. 34)
Уравнение реакции синтеза аммиака
Синтез аммиака из простых веществ (процесс Габера—Боша) представляет собой обратимую реакцию между газообразным азотом и водородом. В условии указано, что прямая реакция протекает с выделением теплоты, следовательно, она является экзотермической. Уравнение реакции в общем виде:
$N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} + Q$
где $Q$ обозначает тепловой эффект реакции, а состояние всех веществ — газообразное.
Ответ: $N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} + Q$.
Анализ воздействий на систему для смещения равновесия
Чтобы сместить химическое равновесие в сторону образования аммиака (вправо), необходимо проанализировать влияние различных факторов на систему в соответствии с принципом Ле Шателье. Этот принцип гласит, что если на равновесную систему оказывается внешнее воздействие, то равновесие смещается в направлении, ослабляющем это воздействие.
1. Изменение температуры. Прямая реакция ($N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$) является экзотермической (протекает с выделением тепла). Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону экзотермической реакции необходимо понижать температуру системы. Таким образом, понижение температуры будет способствовать увеличению выхода аммиака.
2. Изменение давления. В левой части уравнения находятся 1 моль азота и 3 моля водорода, что в сумме составляет 4 моля газообразных веществ. В правой части — 2 моля газообразного аммиака. Реакция идет с уменьшением числа молей газа (с 4 до 2), то есть с уменьшением объема. Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону меньшего объема необходимо повышать давление. Следовательно, повышение давления сместит равновесие вправо.
3. Изменение концентраций. Для смещения равновесия в сторону продуктов необходимо увеличивать концентрации реагентов ($N_2$ и $H_2$) и/или уменьшать концентрацию продукта ($NH_3$). На практике это достигается подачей в реактор избытка исходных газов и постоянным отводом (конденсацией) образующегося аммиака из реакционной смеси.
Ответ: Для смещения равновесия в сторону образования аммиака необходимо: понижать температуру, повышать давление, увеличивать концентрации исходных веществ (азота и водорода) и удалять продукт (аммиак) из зоны реакции.
Причины невысокого выхода синтеза Габера—Боша
Несмотря на знание термодинамически благоприятных условий, повысить выход аммиака в промышленном процессе значительно выше 35–36% за один цикл не удается из-за необходимости находить компромисс между термодинамикой (положение равновесия) и кинетикой (скорость реакции), а также экономическими факторами.
1. Температурный компромисс. Хотя низкая температура выгодна для смещения равновесия в сторону аммиака, она резко снижает скорость реакции. Молекула азота ($N_2$) содержит очень прочную тройную связь, для разрыва которой требуется высокая энергия активации. При низких температурах (например, комнатной) реакция практически не идет, даже в присутствии катализатора. Поэтому процесс ведут при повышенных температурах (400–500 °C). Эта температура достаточно высока, чтобы обеспечить приемлемую скорость реакции, но, к сожалению, она же смещает равновесие влево, уменьшая теоретически возможный выход аммиака.
2. Экономический и технический компромисс по давлению. Высокое давление благоприятно и для скорости реакции, и для смещения равновесия. Однако создание и поддержание очень высокого давления (например, 1000 атм и выше) требует колоссальных энергозатрат на сжатие газов и очень дорогого и металлоемкого оборудования, способного безопасно работать в таких условиях. Поэтому в промышленности используются экономически оправданные значения давления (обычно 150–350 атм), которые являются компромиссом между желаемым выходом и капитальными и эксплуатационными затратами.
В итоге, относительно невысокий выход за один проход компенсируется организацией непрерывного циклического процесса: из газовой смеси после реактора охлаждением выделяют сжиженный аммиак, а непрореагировавшие азот и водород возвращают обратно на вход реактора. Это позволяет со временем достичь высокого общего превращения реагентов в продукт.
Ответ: Повысить выход синтеза Габера—Боша не удается из-за противоречивых требований к условиям процесса. Условия, выгодные для равновесия (низкая температура, высокое давление), либо делают реакцию слишком медленной (низкая t°), либо являются чрезмерно дорогими и технически сложными в реализации (сверхвысокое p). Поэтому процесс ведется при компромиссных условиях, которые обеспечивают оптимальное соотношение между скоростью, выходом и затратами.
Другие задания:
Помогло решение? Оставьте отзыв в комментариях ниже.
Присоединяйтесь к Телеграм-группе @top_gdz
ПрисоединитьсяМы подготовили для вас ответ c подробным объяснением домашего задания по химии за 9 класс, для упражнения номер 45 расположенного на странице 34 к сборнику задач и упражнений 2020 года издания для учащихся школ и гимназий.
Теперь на нашем сайте ГДЗ.ТОП вы всегда легко и бесплатно найдёте условие с правильным ответом на вопрос «Как решить ДЗ» и «Как сделать» задание по химии к упражнению №45 (с. 34), авторов: Габриелян (Олег Саргисович), Тригубчак (Инесса Васильевна), ФГОС (старый) учебного пособия издательства Просвещение.