Промышленное получение неорганических веществ: железо, аммиак, серная кислота
🧪 Химия · 11 класс
Как уравнения реакций связаны с сырьём, катализаторами, равновесием, выделением продукта и выходом производства.
Промышленный процесс — не просто реакция в большом сосуде. Нужно подготовить сырьё, обеспечить скорость превращения, отделить продукт и уменьшить потери вещества и энергии. Поэтому в задачах о производстве важно объяснять не только формулу, но и назначение каждой стадии.
Получение железа: восстановление оксида
В доменном процессе железорудное сырьё восстанавливают. Упрощённую цепочку удобно показать так: углерод кокса сгорает, затем образуется оксид углерода(II), который отнимает кислород у оксида железа.
C + O₂ → CO₂
CO₂ + C → 2CO
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
В последней реакции железо меняет степень окисления с +3 на 0, а углерод — с +2 на +4. Поэтому CO является восстановителем. Известняк помогает удалять примеси: CaCO₃ → CaO + CO₂, затем CaO + SiO₂ → CaSiO₃. Образуется шлак, который отделяют от металлического расплава.
Продукт домны — не чистое лабораторное железо, а чугун, содержащий углерод и другие примеси. Для производства стали состав далее изменяют. Нельзя переносить схему восстановления оксида непосредственно на любой металл: для очень активных металлов часто нужен электролиз расплавов.
Аммиак: скорость против равновесия
Синтез описывается обратимой реакцией: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Она экзотермическая. Повышенное давление благоприятствует стороне, где меньше молей газа: справа их два вместо четырёх. Однако высокое давление требует прочного оборудования и затрат энергии.
Понижение температуры улучшает равновесный выход аммиака, но замедляет реакцию. Поэтому выбирают рабочий компромисс и используют железный катализатор. Катализатор ускоряет достижение равновесия, а не смещает его. После охлаждения аммиак отделяют, а непрореагировавшие азот и водород возвращают в цикл. Именно сочетание синтеза, разделения и возврата газов делает технологию эффективной.
Серная кислота: не путать стадии
В школьной схеме контактного процесса серу сжигают: S + O₂ → SO₂. Затем диоксид серы окисляют: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃. На этой стадии применяют ванадиевый катализатор. Газы предварительно очищают, чтобы уменьшить загрязнение продукта и повреждение катализатора.
В традиционной сухой контактной схеме SO₃ поглощают концентрированной серной кислотой. При избытке растворённого SO₃ образуется олеум; состав поглотительной кислоты и добавление воды регулируют, чтобы получить нужный продукт. Запись SO₃ + H₂O → H₂SO₄ передаёт химическое превращение, но не является достаточным описанием промышленного аппарата: прямое взаимодействие с водой сопровождается сильным тепловыделением и образованием кислотного тумана.
Разобранная задача на выход
Из 28 кг азота при избытке водорода получили 27,2 кг аммиака. Найдите выход относительно теоретического.
Молярные массы N₂ и NH₃ равны 28 и 17 г/моль. По уравнению из 28 массовых частей N₂ получается 34 части NH₃. Следовательно, из 28 кг N₂ теоретически можно получить 34 кг NH₃. Выход: η = 27,2 / 34 · 100% = 80%. Массу исходного азота нельзя напрямую считать теоретической массой аммиака: в продукт входит и водород.
Самостоятельные задания
- Сколько килограммов аммиака теоретически получится из 14 кг N₂ при избытке H₂?
- В реакции восстановления Fe₂O₃ оксидом CO укажите окислитель и восстановитель.
- Ученик пишет: «Катализатор увеличивает равновесный выход аммиака». В чём ошибка?
Ответы с объяснениями
1. 17 кг: исходная масса азота вдвое меньше 28 кг, поэтому и продукт вдвое меньше 34 кг. 2. Окислитель — Fe₂O₃: железо в его составе принимает электроны. Восстановитель — CO: углерод отдаёт электроны. 3. Катализатор изменяет скорость прямой и обратной реакций; положение равновесия при той же температуре он не меняет.
Что проверять в ответе
Различайте сырьё и восстановитель, скорость и равновесие, теоретическую и фактическую массу. Уравнение нужно уравнять до расчёта. Возврат исходных веществ в цикл не отменяет закон сохранения массы: он сокращает производственные потери.