"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Важнейшие соединения неметаллов получают в промышленности не одной реакцией, а целой технологической цепочкой. Сырьё подготавливают, превращают в промежуточные вещества, выделяют и очищают продукт. Так производят серную кислоту из серы, аммиак из азота и водорода, а азотную кислоту — из аммиака. Главные понятия темы — катализ, равновесие, абсорбция и расчёт выхода продукта.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Промышленный способ получения вещества — последовательность химических превращений и технологических операций, обеспечивающих выпуск вещества в больших масштабах. Это не только реакция в аппарате, но и подготовка сырья, разделение смесей, охлаждение и очистка. Понятие помогает отличать реальную технологическую схему от простой лабораторной реакции.
Катализатор — вещество, ускоряющее реакцию и не расходующееся в её суммарном уравнении. Он предоставляет реакции более удобный путь и позволяет снизить или изменить рабочую температуру. Поэтому катализатор записывают над стрелкой уравнения, а не среди исходных веществ и продуктов.
Контактный способ — промышленный способ получения серной кислоты, в котором газообразные реагенты взаимодействуют с твёрдым катализатором. Название связано с контактом газов с поверхностью катализатора. Основная каталитическая стадия этого способа — окисление SO₂ до SO₃.
Абсорбция — поглощение одного вещества другим, например растворение оксида серы(VI) в серной кислоте при производстве олеума. При этом газ переходит в жидкую фазу и становится удобнее для дальнейшей переработки. Термин нужен, чтобы не путать поглощение всем объёмом жидкости с поверхностным удерживанием вещества.
Промышленная схема состоит из нескольких стадий, потому что исходное сырьё обычно содержит примеси и не превращается в готовый продукт за один шаг. Сначала сырьё измельчают, очищают или переводят в удобное состояние. Затем проводят реакцию, выделяют промежуточное или конечное вещество и очищают его, чтобы продукт соответствовал требованиям.
Серную кислоту получают из серы через диоксид серы и оксид серы(VI). Сначала сера горит: S + O₂ → SO₂, затем SO₂ окисляется: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃. SO₃ поглощают концентрированной H₂SO₄ с образованием олеума H₂S₂O₇, после чего его разбавляют водой: H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄.
Окисление SO₂ обратимо, поэтому слишком низкая температура делает реакцию медленной, а слишком высокая уменьшает равновесный выход SO₃. Катализатор V₂O₅ ускоряет установление равновесия, не изменяя его положения. На практике выбирают примерно 400–450 °C и подходящее давление, а газ предварительно очищают, чтобы примеси не отравляли катализатор.
Аммиак синтезируют из азота воздуха и водорода: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Повышенное давление смещает равновесие к аммиаку, так как число молекул газа уменьшается, а повышение температуры ускоряет медленную реакцию, хотя немного снижает равновесный выход. Поэтому используют компромиссные условия, железный катализатор и возвращают непрореагировавшие газы в цикл.
Азотную кислоту получают из аммиака в несколько стадий. Сначала на платиново-родиевом катализаторе аммиак окисляется кислородом: 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O, затем 2NO + O₂ → 2NO₂. Оксид азота(IV) поглощают водой: 3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO, а образующийся NO снова окисляют, чтобы уменьшить потери азота.
| Получаемое вещество | Исходное сырьё | Основные стадии | Уравнения реакций | Условия и катализатор | Практическое значение |
|---|---|---|---|---|---|
| Серная кислота | Сера, кислород, вода | Сжигание серы; окисление SO₂; абсорбция SO₃; разбавление олеума | S + O₂ → SO₂; 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃; H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄ | V₂O₅, около 400–450 °C; очищенные газы | Удобрения, аккумуляторы, производство химических веществ |
| Аммиак | Азот и водород | Смешивание и сжатие газов; синтез; отделение NH₃; возврат газов | N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ | Железный катализатор, повышенные температура и давление | Азотные удобрения, азотная кислота, химический синтез |
| Азотная кислота | Аммиак, воздух, вода | Окисление NH₃ до NO; окисление NO до NO₂; абсорбция NO₂ водой | 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O; 2NO + O₂ → 2NO₂; 3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO | Платиново-родиевый катализатор; высокая температура; поглощение водой | Удобрения, взрывчатые вещества, красители и другие продукты |
| Промежуточные продукты и способы их выделения | SO₂, SO₃, олеум, NO, NO₂ | Окисление газов, абсорбция, охлаждение и возврат непрореагировавших веществ | SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇; 3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO | Температуру, давление и состав поглотителя подбирают для увеличения выхода | Позволяют разделить процесс на управляемые стадии и уменьшить потери сырья |
Таблицу удобно читать по строкам: сначала определить сырьё и последовательность стадий, затем проверить уравнения и условия. При решении задач переходят от одного промежуточного вещества к следующему, используя коэффициенты реакций. Последняя строка напоминает, что газы и растворы в производстве не просто «исчезают», а выделяются, поглощаются или возвращаются в цикл.
Условие: запишите уравнения стадий получения H₂SO₄ из серы и укажите стадию, на которой используют катализатор. Нужно проследить превращение исходного вещества, не пропуская промежуточные продукты.
Ответ: цепочка имеет вид S → SO₂ → SO₃ → H₂S₂O₇ → H₂SO₄. Катализатор используют на второй стадии, при окислении SO₂ до SO₃.
Условие: из 112 л N₂ получили аммиак с выходом 80%; объёмы газов измерены при одинаковых условиях. Найдите объём NH₃. Используем реакцию N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃.
Ответ: 179,2 л NH₃.
Условие: из 32 г технической серы с массовой долей S 90% получают H₂SO₄; выход процесса равен 80%. Найдите массу кислоты. Примем, что по общей схеме 1 моль S даёт 1 моль H₂SO₄.
Ответ: 70,56 г H₂SO₄. Для азотной кислоты действуют так же: записывают все стадии, находят соотношение веществ по уравнениям и затем учитывают чистоту сырья и выход.
Смешивают уравнения отдельных стадий и записывают неверное суммарное уравнение. Так происходит, когда промежуточные вещества не вычёркивают и не проверяют число атомов. Проверьте цепочку стрелками и отдельно уравняйте каждую реакцию.
Считают катализатор исходным реагентом и включают его в расход вещества. Ошибка появляется из-за того, что катализатор указывают рядом с уравнением. Сверьте суммарную реакцию: катализатор стоит над стрелкой и не входит в её коэффициентный баланс.
Путают условия промышленного процесса с условиями лабораторного опыта. В промышленности температуру и давление выбирают одновременно с учётом скорости, равновесия, стоимости и безопасности, а сырьё очищают. Проверьте, объяснено ли назначение каждого условия, а не просто перечислены ли его значения.
Считают, что при поглощении SO₃ водой сразу получают удобную концентрированную серную кислоту. На практике образуется туман кислоты, поэтому SO₃ поглощают концентрированной H₂SO₄, получают олеум и затем разбавляют его. Проверка проста: назовите продукт каждой стадии и способ его выделения.
Для понимания темы нужны типы химических реакций, свойства оксидов, кислот и оснований, умение расставлять коэффициенты и выполнять расчёты по уравнениям. Без этих знаний трудно проследить превращения и определить количество продукта.
Промышленные схемы связаны с химической промышленностью, производством удобрений, металлургией и экологией. Они показывают, почему очистка газов и улавливание промежуточных веществ важны не меньше самой реакции.
Условия процессов объясняются скоростью реакции, химическим равновесием, катализом и принципом Ле Шателье. Эти понятия помогают понять, почему производство не всегда ведут при максимально высокой температуре или давлении.
Почему серную кислоту получают не прямым растворением SO₃ в воде?
При прямом растворении SO₃ в воде образуется мелкодисперсный туман серной кислоты, который трудно отделить и поглотить. Поэтому SO₃ сначала растворяют в концентрированной H₂SO₄, получают олеум, а затем осторожно разбавляют его водой.
Зачем нужен катализатор, если он не расходуется?
Катализатор изменяет путь реакции и снижает энергию активации, поэтому нужная скорость достигается при более подходящих условиях. В суммарном уравнении он не расходуется, хотя его поверхность со временем может требовать замены или очистки.
Почему синтез аммиака проводят при высоком давлении?
В реакции N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ число молекул газа уменьшается с четырёх до двух. Повышение давления смещает равновесие в сторону аммиака и увеличивает его выход.
Какие стадии включает получение азотной кислоты из аммиака?
Сначала аммиак каталитически окисляют до NO, затем NO окисляется кислородом до NO₂. После этого NO₂ поглощается водой с образованием HNO₃, а выделившийся NO возвращается в процесс.
Как учитывать выход продукта при расчётах по промышленной схеме?
Сначала по уравнениям находят теоретическое количество продукта, которое получилось бы при полном превращении сырья. Затем умножают его на выход в долях единицы, например на 0,8 при выходе 80%; если сырьё содержит примеси, сначала учитывают его чистую массу.
§ 27. Получение важнейших химических соединений неметаллов
