Номер 1538, страница 242 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

1538. Какие из следующих процессов протекают со 100%-ной атомной эффективностью:

а) синтез аммиака в промышленных условиях;

б) получение железа из магнитного железняка в доменном процессе;

в) получение аммиачной селитры в промышленности;

г) окисление сернистого газа до оксида серы(VI);

д) получение хлора в лаборатории из марганцовки и соляной кислоты;

е) синтез метанола из синтез-газа;

ж) получение водорода из воды методом электролиза;

з) получение аммофоса в промышленности?

Атомная эффективность (или атомная экономия) — это мера эффективности химического процесса, которая показывает, какая доля массы исходных реагентов переходит в массу целевого продукта. Процесс протекает со 100%-ной атомной эффективностью, если все атомы реагентов включаются в состав целевого продукта, то есть в реакции нет побочных продуктов. Как правило, это реакции присоединения, изомеризации или перегруппировки.

Формула для расчета атомной эффективности ($AE$):

$AE = \frac{M(\text{целевого продукта})}{ \sum M(\text{всех реагентов})} \cdot 100\%$

Проанализируем каждый из предложенных процессов:

а) синтез аммиака в промышленных условиях;

Процесс Габера-Боша описывается уравнением реакции присоединения, где из простых веществ (азота и водорода) образуется сложное вещество (аммиак):

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

В этой реакции все атомы реагентов ($N_2$ и $H_2$) полностью переходят в целевой продукт ($NH_3$). Побочные продукты отсутствуют. Следовательно, атомная эффективность этого процесса составляет 100%.

Ответ: Процесс протекает со 100%-ной атомной эффективностью.

б) получение железа из магнитного железняка в доменном процессе;

Основной процесс восстановления железа из магнитного железняка ($Fe_3O_4$) в доменной печи можно упрощенно описать уравнением:

$Fe_3O_4 + 4CO \rightarrow 3Fe + 4CO_2$

Целевым продуктом является железо ($Fe$). Однако в ходе реакции образуется побочный продукт — углекислый газ ($CO_2$). Поскольку не все атомы реагентов (в частности, атомы углерода и кислорода из $CO$) переходят в целевой продукт, атомная эффективность меньше 100%.

Ответ: Процесс не протекает со 100%-ной атомной эффективностью.

в) получение аммиачной селитры в промышленности;

Аммиачную селитру ($NH_4NO_3$) получают реакцией нейтрализации аммиака ($NH_3$) азотной кислотой ($HNO_3$). Это реакция присоединения:

$NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3$

Все атомы реагентов объединяются в единственном продукте — нитрате аммония. Побочные продукты отсутствуют. Атомная эффективность составляет 100%.

Ответ: Процесс протекает со 100%-ной атомной эффективностью.

г) окисление сернистого газа до оксида серы(VI);

Этот процесс является стадией производства серной кислоты и представляет собой реакцию присоединения кислорода к диоксиду серы:

$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

Все атомы исходных веществ ($SO_2$ и $O_2$) входят в состав целевого продукта — оксида серы(VI) ($SO_3$). Побочных продуктов нет, поэтому атомная эффективность равна 100%.

Ответ: Процесс протекает со 100%-ной атомной эффективностью.

д) получение хлора в лаборатории из марганцовки и соляной кислоты;

Реакция получения хлора из перманганата калия и концентрированной соляной кислоты:

$2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2KCl + 2MnCl_2 + 5Cl_2 + 8H_2O$

Целевой продукт — хлор ($Cl_2$). Кроме него, образуются побочные продукты: хлорид калия ($KCl$), хлорид марганца(II) ($MnCl_2$) и вода ($H_2O$). Наличие побочных продуктов означает, что атомная эффективность этого процесса значительно меньше 100%.

Ответ: Процесс не протекает со 100%-ной атомной эффективностью.

е) синтез метанола из синтез-газа;

Синтез-газ представляет собой смесь угарного газа ($CO$) и водорода ($H_2$). Реакция синтеза метанола ($CH_3OH$) является реакцией присоединения:

$CO + 2H_2 \rightarrow CH_3OH$

Все атомы реагентов переходят в целевой продукт, побочные продукты не образуются. Атомная эффективность равна 100%.

Ответ: Процесс протекает со 100%-ной атомной эффективностью.

ж) получение водорода из воды методом электролиза;

Электролиз воды — это реакция разложения:

$2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

Целевым продуктом является водород ($H_2$). При этом образуется и побочный продукт — кислород ($O_2$). Поскольку не все атомы исходного вещества (воды) переходят в целевой продукт (атомы кислорода "теряются" в побочном продукте), атомная эффективность получения водорода меньше 100%.

Ответ: Процесс не протекает со 100%-ной атомной эффективностью.

з) получение аммофоса в промышленности?

Аммофос — комплексное удобрение, состоящее в основном из дигидрофосфата аммония ($NH_4H_2PO_4$) и гидрофосфата аммония ($(NH_4)_2HPO_4$). Его получают нейтрализацией фосфорной кислоты ($H_3PO_4$) аммиаком ($NH_3$). Обе реакции являются реакциями присоединения:

$NH_3 + H_3PO_4 \rightarrow NH_4H_2PO_4$

$2NH_3 + H_3PO_4 \rightarrow (NH_4)_2HPO_4$

В обоих случаях все атомы реагентов входят в состав целевых продуктов, побочные вещества не образуются. Следовательно, атомная эффективность 100%.

Ответ: Процесс протекает со 100%-ной атомной эффективностью.