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

4. Основы термохимии и химической кинетики. Упражнения и задачи для самостоятельного решения - номер 45, страница 34.

Условие.

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.

Решение 2.

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.