Номер 4, страница 289 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

4. Приведите известные вам сведения о промышленном получении хлороводорода, соляной и фосфорной кислот, а также соответствующие уравнения химических реакций.

Промышленное получение хлороводорода

В промышленности хлороводород ($HCl$) получают в основном двумя способами: синтетическим и из побочных газов химических производств (абгазный хлороводород).

1. Синтетический метод. Это основной способ получения чистого хлороводорода. Он заключается в прямом синтезе из элементов — водорода ($H_2$) и хлора ($Cl_2$). Газообразные водород и хлор, полученные, как правило, электролизом раствора поваренной соли, сжигают в специальных печах из стали или кварца. Реакция протекает по цепному механизму и является сильно экзотермической (выделяется много тепла):

$H_2(г) + Cl_2(г) \rightarrow 2HCl(г) + Q$

Процесс ведут при небольшом избытке водорода, чтобы весь хлор, который является более дорогим и токсичным компонентом, полностью прореагировал. Полученный этим методом хлороводород отличается высокой чистотой.

2. Получение из побочных газов (абгазный $HCl$). Значительные количества хлороводорода образуются как побочный продукт при хлорировании органических соединений. Например, при получении хлорметана из метана:

$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$

Такой хлороводород обычно содержит органические примеси и требует дополнительной очистки перед использованием.

3. Сульфатный метод (исторический). Ранее был распространен метод получения $HCl$ взаимодействием поваренной соли ($NaCl$) с концентрированной серной кислотой ($H_2SO_4$). Процесс проходит в две стадии при нагревании:

При слабом нагревании (до 150°C): $NaCl + H_2SO_4 \rightarrow NaHSO_4 + HCl \uparrow$

При сильном нагревании (выше 500°C): $NaCl + NaHSO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + HCl \uparrow$

В настоящее время этот метод имеет ограниченное применение.

Ответ: Основным промышленным способом получения хлороводорода является прямой синтез из водорода и хлора. Также его получают как побочный продукт при хлорировании органических веществ.

Промышленное получение соляной кислоты

Соляная кислота ($HCl_{aq}$) представляет собой водный раствор хлороводорода. Процесс ее получения заключается в поглощении (абсорбции) газообразного хлороводорода водой.

Производство осуществляется в абсорбционных колоннах (абсорберах). Газообразный $HCl$ подается в нижнюю часть колонны, а вода или разбавленная соляная кислота орошает колонну сверху. Газ, поднимаясь вверх, растворяется в стекающей жидкости. Такой противоточный принцип обеспечивает максимальную эффективность поглощения.

Процесс растворения хлороводорода в воде является сильно экзотермическим, поэтому абсорберы необходимо охлаждать, чтобы поддерживать оптимальную температуру и предотвратить испарение $HCl$ из раствора.

В результате этого процесса получают концентрированную соляную кислоту с массовой долей $HCl$ обычно от 32% до 38%. Уравнение процесса можно упрощенно записать как растворение газа в воде: $HCl(г) \xrightarrow{H_2O} HCl(р-р)$

Ответ: Соляную кислоту в промышленности получают путем растворения газообразного хлороводорода в воде в специальных поглотительных аппаратах (абсорберах).

Промышленное получение фосфорной кислоты

Существует два основных промышленных метода получения фосфорной (ортофосфорной) кислоты ($H_3PO_4$): экстракционный (сернокислотный) и термический.

1. Экстракционный (мокрый) метод. Этот метод является наиболее распространенным, так как он более экономичен. В качестве сырья используют природные фосфаты — апатиты (например, $Ca_5(PO_4)_3F$) или фосфориты ($Ca_3(PO_4)_2$). Измельченную фосфатную руду обрабатывают серной кислотой.

Происходит реакция, в результате которой образуется фосфорная кислота и нерастворимый сульфат кальция (гипс), который отделяют фильтрованием:

$Ca_3(PO_4)_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow 2H_3PO_4 + 3CaSO_4 \downarrow$

Полученная этим методом кислота ("экстракционная") является неочищенной и имеет невысокую концентрацию. В основном она используется для производства фосфорных удобрений.

2. Термический метод. Этот метод позволяет получить очень чистую фосфорную кислоту, но он более энергозатратен и дорог. Процесс состоит из нескольких стадий:

а) Сначала в электропечах при температуре около 1500°C из фосфатного сырья, кокса (углерода) и кремнезема ($SiO_2$) получают элементарный фосфор:

$2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + 10C \xrightarrow{t} P_4 + 6CaSiO_3 + 10CO \uparrow$

б) Полученный белый фосфор ($P_4$) сжигают в избытке воздуха до оксида фосфора(V):

$P_4 + 5O_2 \rightarrow P_4O_{10}$

в) Оксид фосфора(V) поглощают водой (гидратируют), получая чистую фосфорную кислоту:

$P_4O_{10} + 6H_2O \rightarrow 4H_3PO_4$

Такая кислота ("термическая") используется в пищевой промышленности (как добавка E338), в медицине и для производства чистых солей (фосфатов).

Ответ: Фосфорную кислоту в промышленности получают двумя основными способами: экстракционным (обработка природных фосфатов серной кислотой) для получения технической кислоты и термическим (сжигание фосфора с последующей гидратацией оксида) для получения чистой кислоты.