Из курса химии 9 класса повторите темы, касающиеся производства серной кислоты, промышленного синтеза аммиака, коксохимического производства, производства метанола и этанола, уксусной кислоты. Какие химические производства вы изучили в 9 и 10 классах?
В 9 и 10 классах изучают крупные химические производства, среди них:
— производство серной кислоты — синтез аммиака — коксохимическое производство — получение метанола — получение этанола — производство уксусной кислоты
Укажите области применения серной кислоты. Какие реакции лежат в основе производства серной кислоты?
Серная кислота применяется: в производстве минеральных удобрений (например, суперфосфата), в химической промышленности (для синтеза веществ), в нефтепереработке, в производстве красителей, взрывчатых веществ, в очистке металлов перед покрытием.
Производство основано на трёх стадиях:
Обжиг серы или сульфидов: S + O₂ → SO₂ или 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂
Каталитическое окисление оксида серы (IV): 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (катализатор — V₂O₅)
Поглощение оксида серы (VI) концентрированной H₂SO₄ с образованием олеума: SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇ Затем его разбавляют водой: H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄
Укажите области применения этанола и метанола. Какие реакции лежат в основе промышленного производства этих веществ?
Этанол используется: в медицине (антисептик), в парфюмерии и косметике, в производстве растворителей и лакокрасочной продукции, как топливо и добавка к бензину, в пищевой промышленности (в составе алкогольных напитков).
Производят этанол либо брожением глюкозы: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ либо гидратацией этилена: C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH (в присутствии катализатора)
Метанол применяется: в производстве пластмасс, формальдегида, как растворитель, в качестве топлива и присадки к бензину, в производстве красителей и других органических веществ.
Производится синтезом из угарного газа и водорода: CO + 2H₂ → CH₃OH (катализатор, высокая температура и давление)
Эти темы — основа промышленной химии и важная часть школьной программы.
1. Почему при разрыве корпуса колонны синтеза происходили взрывы газовой смеси?
Смесь азота и водорода — взрывоопасна. В колонне синтеза аммиака они находятся под высоким давлением и температурой. При разрыве корпуса смесь резко выходит наружу, контактирует с воздухом, может воспламениться или взорваться, особенно при наличии искры или открытого огня.
2. Вычислите, какое количество азота и водорода практически расходуется для производства 1 т аммиака.
Уравнение реакции: N₂ + 3H₂ → 2NH₃
Молярная масса NH₃ = 17 г/моль 1 т = 1 000 000 г Число моль аммиака: 1 000 000 / 17 ≈ 58823,5 моль
По уравнению: 2 моль NH₃ ← 1 моль N₂ и 3 моль H₂ Значит, на 58823,5 моль NH₃ нужно: N₂: 58823,5 / 2 = 29411,75 моль H₂: 29411,75 × 3 = 88235,25 моль
Молярная масса N₂ = 28 г/моль Молярная масса H₂ = 2 г/моль
Масса N₂: 29411,75 × 28 ≈ 823529 г = 823,5 кг Масса H₂: 88235,25 × 2 ≈ 176470 г = 176,5 кг
Ответ: на 1 т аммиака расходуется примерно 823,5 кг азота и 176,5 кг водорода.
3. Какие общие закономерности экзотермических, обратимых, гетерогенно-каталитических реакций используют при выборе оптимальных условий управления промышленным синтезом аммиака?
Реакция экзотермическая — при повышении температуры равновесие смещается в сторону реагентов, но высокая температура нужна для скорости реакции. Поэтому выбирают компромиссную температуру (примерно 400–500°C). Реакция с уменьшением объема — повышение давления (обычно 150–300 атм) смещает равновесие в сторону аммиака. Катализатор ускоряет установление равновесия — используют активированный железный катализатор.
4. Сформулируйте общие принципы управления обратимыми реакциями с неблагоприятным положением равновесия при решении следующих задач:
а) получение высокого выхода продукта реакции:
б) использование специфического для циркуляционных схем способа увеличения производительности реакторов и катализатора; в) подбор оптимального состава газовой смеси.
а) Для получения высокого выхода продукта: Удалять продукт реакции (аммиак) из смеси — равновесие будет смещаться в его сторону.
б) Для циркуляционных схем: Невступившие реагенты возвращаются обратно в реактор, тем самым увеличивается общая производительность и ресурс катализатора.
в) Оптимальный состав смеси: Поддерживается стехиометрическое соотношение N₂:H₂ = 1:3. Примеси удаляются, так как они снижают активность катализатора.
5. Укажите перепектины совершенствования промышленного синтеза аммиака. (Можно наметить три предложения, относящиеся к проблеме катализа.) Оформите и представьте свои предложения в виде электронной презентации.
— Разработка катализаторов с большей активной поверхностью. — Создание катализаторов, работающих при более низких температурах и давлениях. — Увеличение срока службы катализаторов и снижение их чувствительности к примесям.