Номер 5, страница 207 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

5. Перечислите условия синтеза аммиака в промышленности. Запишите уравнение этой реакции: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$. Почему синтез ведут при высоком давлении?

Условия синтеза аммиака в промышленности: Промышленный синтез аммиака, известный как процесс Габера-Боша, проводится при следующих оптимальных условиях, которые являются компромиссом между скоростью реакции, выходом продукта и экономическими затратами:

1. Температура: 400–500 °C. Реакция синтеза аммиака экзотермическая, поэтому, согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону продукта требуется понижение температуры. Однако при низких температурах скорость реакции очень мала, поэтому выбирают компромиссную, достаточно высокую температуру для достижения приемлемой скорости.

2. Давление: 15–35 МПа (что эквивалентно примерно 150–350 атмосферам). Высокое давление необходимо для смещения равновесия в сторону образования аммиака, так как реакция идет с уменьшением объема.

3. Катализатор: Пористое железо (Fe) с добавками-промоторами, такими как оксиды калия ($K_2O$), алюминия ($Al_2O_3$) и кальция (CaO). Катализатор не влияет на положение равновесия, но значительно ускоряет как прямую, так и обратную реакции, позволяя быстрее достичь равновесного состояния.

4. Непрерывное удаление продукта: Образующийся аммиак удаляют из реакционной смеси путем охлаждения и конденсации (сжижения). Это смещает равновесие вправо, в сторону образования новых порций продукта.

5. Принцип циркуляции: Непрореагировавшие азот и водород отделяются от жидкого аммиака и возвращаются обратно в реактор. Это позволяет достичь высокого общего выхода продукта.

Ответ: Оптимальные условия промышленного синтеза аммиака: температура 400–500 °C, давление 15–35 МПа, использование гетерогенного катализатора (пористое железо с промоторами), постоянное удаление аммиака из реакционной зоны и рециркуляция непрореагировавших газов.

Уравнение этой реакции: Синтез аммиака из простых веществ (азота и водорода) — это обратимый, экзотермический, каталитический процесс. Уравнение реакции выглядит следующим образом:

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

Здесь символ $\rightleftharpoons$ указывает на обратимость реакции, а $+ Q$ (или $\Delta H < 0$) означает, что реакция протекает с выделением теплоты.

Ответ: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3 + Q$.

Почему синтез ведут при высоком давлении?: Использование высокого давления при синтезе аммиака напрямую следует из принципа смещения химического равновесия Ле Шателье. Рассмотрим уравнение реакции:

$N_2\text{(г)} + 3H_2\text{(г)} \rightleftharpoons 2NH_3\text{(г)}$

В левой части уравнения (реагенты) находится $1$ моль азота и $3$ моля водорода, что в сумме составляет $1+3=4$ моля газа. В правой части уравнения (продукт) находится $2$ моля газообразного аммиака. Таким образом, прямая реакция протекает с уменьшением общего числа молей газов в системе ($4 \to 2$).

Согласно принципу Ле Шателье, если на систему в состоянии равновесия оказать внешнее воздействие (в данном случае — повысить давление), то равновесие сместится в том направлении, которое ослабляет это воздействие. Уменьшение числа молей газа приводит к снижению давления в системе. Следовательно, повышение общего давления смещает равновесие вправо, в сторону образования аммиака, что увеличивает его равновесный выход.

Ответ: Синтез ведут при высоком давлении, так как, согласно принципу Ле Шателье, повышение давления смещает химическое равновесие в сторону реакции, идущей с уменьшением числа молей газов (в данном случае — в сторону образования аммиака), что приводит к увеличению выхода продукта.