Принципиально новое решение проблемы фиксации азота было найдено незадолго до Первой мировой войны. Речь идет о синтезе аммиака – основном процессе современной технологии связывания азота. Такой синтез был осуществлен известным немецким химиком Фрицем Габером в 1908 г. Оказалось, что при высоком давлении и температуре в присутствии осмиевого катализатора азот вступает в реакцию с водородом, в результате чего образуется аммиак:
N2 +3H2<=>2NH3.
Закономерности влияния давления и температуры на равновесие реакции были обобщены в так называемом принципе Ле Шателье, названном в честь его первооткрывателя – замечательного французского ученого. Пользуясь этим принципом, можно было определить, при каком именно давлении и температуре лучше всего проводить процесс синтеза аммиака. Рассмотрим реакцию, лежащую в основе получения целевого продукта:
N2 +3H2 2NH3 + 92 кДж.
Подбор оптимальных условий проведения синтеза осуществляется исходя из характеристик химической реакции.
1) Реакция обратимая, гомогенная (исходные вещества и продукты – это газы) и идет с уменьшением объема, следовательно, смещению равновесия в сторону продуктов повышенное давление.
2) Реакция экзотермическая, повышение температуры смещает химическое равновесие в сторону исходных веществ, а понижение температуры – в сторону продуктов реакции, но при этом скорость синтеза будет очень мала. Поэтому реакцию проводят при оптимальной для данного процесса температуре: 450–500 °С. Исходную смесь газов сначала нагревают в теплообменнике за счет движущихся противотоком выходящих газов, а затем в зоне экзотермической реакции. (Противоток – это движение различных веществ навстречу друг другу с целью создания наилучших условий для обмена энергией. )
3) Для ускорения синтеза, быстрейшего установления равновесия используют катализатор – восстановленное железо, активированное оксидами калия, алюминия и др.
Реагенты и продукты реакции находятся в газовой фазе и образуют гомогенную систему. Реакция протекает на поверхности твердых катализаторов. Такая реакция составляет особый класс гетерогенно-каталитических реакций. Большое значение имеет площадь поверхности катализатора. Катализатор изготавливают в виде губчатых гранул или таблеток. Поскольку активность катализатора сильно снижается от присутствия примесей, то реагирующие газы подвергают тщательной очистке (от воды, соединений серы и др.) .
4) При всех указанных условиях проведения реакции равновесный выход продукта составляет не более 20%. Поэтому синтез продукта осуществляется по многократной циркуляции, т. е. непрореагировавшую смесь газов многократно возвращают в производство после отделения от нее полученного продукта.
402. Через раствор, содержащий 33,6 г гидроксида калия, при 90°С пропустили хлор массой 30 г. Вычислите массу образовавшейся соли кислородсодержащей кислоты. 403. Смешали хлороводород массой 7,3 г и аммиак массой 4 г. Вычислите массу образовавшегося вещества. 404. Сколько граммов флюорита CaF2 потребуется для получения 20 л фтороводорода? 405. Какой объём хлора может быть получен при взаимодействии 2 моль хлороводорода и 3 моль оксида марганца (IV)? XIII. Металлы Металлические элементы в основном расположены в левой и нижней частях периодической системы. Атомы металлических элементов в отличие от неметаллических обладают значительно большими размерами атомных радиусов. Поэтому атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны. Вследствие этого они обладают образовывать положительно заряженные ионы, а в соединениях проявляют только положительную степень окисления. Многие металлы, например медь Сu, железо Fe, хром Сr, титан Ti, проявляют в соединениях разную степень окисления. Так как атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны, то в свободном состоянии они являются восстановителями. Восстановительная разных металлов неодинакова. В электрохимическом ряду напряжений металлов она возрастает от золота Аu до калия К. Общность физических свойств металлов (высокая электрическая проводимость, теплопроводность, ковкость, пластичность) объясняется общностью строения их кристаллических решёток. По некоторым характерным физическим свойствам металлы в значительной степени отличаются друг от друга, например по плотности, твёрдости, температурам плавления. Самый лёгкий из металлов - литий Li, а самый тяжёлый - осмий Os. Самые мягкие - щелочные металлы. Они легко режутся ножом. Самый легкоплавкий металл - ртуть Hg, самый тугоплавкий металл - вольфрам W.
N2 +3H2<=>2NH3.
Закономерности влияния давления и температуры на равновесие реакции были обобщены в так называемом принципе Ле Шателье, названном в честь его первооткрывателя – замечательного французского ученого. Пользуясь этим принципом, можно было определить, при каком именно давлении и температуре лучше всего проводить процесс синтеза аммиака.
Рассмотрим реакцию, лежащую в основе получения целевого продукта:
N2 +3H2 2NH3 + 92 кДж.
Подбор оптимальных условий проведения синтеза осуществляется исходя из характеристик химической реакции.
1) Реакция обратимая, гомогенная (исходные вещества и продукты – это газы) и идет с уменьшением объема, следовательно, смещению равновесия в сторону продуктов повышенное давление.
2) Реакция экзотермическая, повышение температуры смещает химическое равновесие в сторону исходных веществ, а понижение температуры – в сторону продуктов реакции, но при этом скорость синтеза будет очень мала. Поэтому реакцию проводят при оптимальной для данного процесса температуре: 450–500 °С. Исходную смесь газов сначала нагревают в теплообменнике за счет движущихся противотоком выходящих газов, а затем в зоне экзотермической реакции. (Противоток – это движение различных веществ навстречу друг другу с целью создания наилучших условий для обмена энергией. )
3) Для ускорения синтеза, быстрейшего установления равновесия используют катализатор – восстановленное железо, активированное оксидами калия, алюминия и др.
Реагенты и продукты реакции находятся в газовой фазе и образуют гомогенную систему. Реакция протекает на поверхности твердых катализаторов. Такая реакция составляет особый класс гетерогенно-каталитических реакций. Большое значение имеет площадь поверхности катализатора. Катализатор изготавливают в виде губчатых гранул или таблеток. Поскольку активность катализатора сильно снижается от присутствия примесей, то реагирующие газы подвергают тщательной очистке (от воды, соединений серы и др.) .
4) При всех указанных условиях проведения реакции равновесный выход продукта составляет не более 20%. Поэтому синтез продукта осуществляется по многократной циркуляции, т. е. непрореагировавшую смесь газов многократно возвращают в производство после отделения от нее полученного продукта.
402. Через раствор, содержащий 33,6 г гидроксида калия, при 90°С пропустили хлор массой 30 г. Вычислите массу образовавшейся соли кислородсодержащей кислоты. 403. Смешали хлороводород массой 7,3 г и аммиак массой 4 г. Вычислите массу образовавшегося вещества. 404. Сколько граммов флюорита CaF2 потребуется для получения 20 л фтороводорода? 405. Какой объём хлора может быть получен при взаимодействии 2 моль хлороводорода и 3 моль оксида марганца (IV)? XIII. Металлы Металлические элементы в основном расположены в левой и нижней частях периодической системы. Атомы металлических элементов в отличие от неметаллических обладают значительно большими размерами атомных радиусов. Поэтому атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны. Вследствие этого они обладают образовывать положительно заряженные ионы, а в соединениях проявляют только положительную степень окисления. Многие металлы, например медь Сu, железо Fe, хром Сr, титан Ti, проявляют в соединениях разную степень окисления. Так как атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны, то в свободном состоянии они являются восстановителями. Восстановительная разных металлов неодинакова. В электрохимическом ряду напряжений металлов она возрастает от золота Аu до калия К. Общность физических свойств металлов (высокая электрическая проводимость, теплопроводность, ковкость, пластичность) объясняется общностью строения их кристаллических решёток. По некоторым характерным физическим свойствам металлы в значительной степени отличаются друг от друга, например по плотности, твёрдости, температурам плавления. Самый лёгкий из металлов - литий Li, а самый тяжёлый - осмий Os. Самые мягкие - щелочные металлы. Они легко режутся ножом. Самый легкоплавкий металл - ртуть Hg, самый тугоплавкий металл - вольфрам W.