Глава III. Неметаллы и их соединения. § 27. Получение важнейших химических соединений неметаллов — с. 141
§ 27. Проверьте свои знания.
1. Назовите основные стадии химического производства: а) серной кислоты; б) аммиака.
1. Назовите основные стадии химического производства: а) серной кислоты; б) аммиака.
а) Производство серной кислоты (контактный способ) состоит из трёх основных стадий:
1) получение оксида серы(IV): обжиг серного колчедана в печи кипящего слоя (4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q) или сжигание расплавленной серы (S + O₂ = SO₂ + Q); полученный печной газ очищают от пыли (циклон, электрофильтр), осушают концентрированной серной кислотой и подогревают в теплообменнике;
2) получение оксида серы(VI): каталитическое окисление SO₂ в контактном аппарате на катализаторе V₂O₅ при около 400 °C (2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ + Q);
3) получение серной кислоты: поглощение SO₃ концентрированной (98%-ной) серной кислотой в поглотительной башне с образованием олеума (SO₃ + H₂O = H₂SO₄ + Q); олеум затем разбавляют до нужной концентрации.
б) Производство аммиака также включает три стадии:
1) получение и очистка исходной азотоводородной смеси (азот выделяют из воздуха, водород получают из природного газа и воды);
2) синтез аммиака в колонне синтеза на железном катализаторе при 450–500 °C и высоком давлении (N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q);
3) охлаждение газовой смеси, сжижение и отделение аммиака, а непрореагировавших азота и водорода — их возвращают в колонну синтеза (циркуляция).
1) получение оксида серы(IV): обжиг серного колчедана в печи кипящего слоя (4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q) или сжигание расплавленной серы (S + O₂ = SO₂ + Q); полученный печной газ очищают от пыли (циклон, электрофильтр), осушают концентрированной серной кислотой и подогревают в теплообменнике;
2) получение оксида серы(VI): каталитическое окисление SO₂ в контактном аппарате на катализаторе V₂O₅ при около 400 °C (2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ + Q);
3) получение серной кислоты: поглощение SO₃ концентрированной (98%-ной) серной кислотой в поглотительной башне с образованием олеума (SO₃ + H₂O = H₂SO₄ + Q); олеум затем разбавляют до нужной концентрации.
б) Производство аммиака также включает три стадии:
1) получение и очистка исходной азотоводородной смеси (азот выделяют из воздуха, водород получают из природного газа и воды);
2) синтез аммиака в колонне синтеза на железном катализаторе при 450–500 °C и высоком давлении (N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q);
3) охлаждение газовой смеси, сжижение и отделение аммиака, а непрореагировавших азота и водорода — их возвращают в колонну синтеза (циркуляция).
§ 27. Проверьте свои знания.
2. Охарактеризуйте основные методы и принципы химической технологии: метод кипящего слоя, принципы теплообмена, циркуляции, противотока.
Метод кипящего слоя: измельчённое твёрдое сырьё (колчедан) продувают снизу потоком воздуха, обогащённого кислородом, так, что частицы находятся во взвешенном состоянии и «кипят», как жидкость. Поверхность соприкосновения твёрдого вещества с газом резко возрастает, частицы не слёживаются, и обжиг идёт быстро и полно.
Принцип теплообмена: теплоту экзотермической реакции или горячих продуктов используют для нагрева исходных веществ, которые идут в реактор (в контактном аппарате горячий SO₂ отдаёт теплоту свежему газу; в синтезе аммиака теплота выходящих газов подогревает азотоводородную смесь). Это экономит энергию и поддерживает нужную температуру.
Принцип циркуляции: непрореагировавшие вещества отделяют от продуктов и вновь возвращают в реакционный аппарат (SO₂ и O₂ — в контактный аппарат; N₂ и H₂ — в колонну синтеза). Так достигается почти полное использование сырья.
Принцип противотока: вещества движутся навстречу друг другу, что увеличивает время и поверхность контакта (колчедан подают сверху, воздух — снизу; в поглотительной башне кислота стекает сверху вниз по керамическим кольцам, а газ идёт снизу вверх).
Принцип теплообмена: теплоту экзотермической реакции или горячих продуктов используют для нагрева исходных веществ, которые идут в реактор (в контактном аппарате горячий SO₂ отдаёт теплоту свежему газу; в синтезе аммиака теплота выходящих газов подогревает азотоводородную смесь). Это экономит энергию и поддерживает нужную температуру.
Принцип циркуляции: непрореагировавшие вещества отделяют от продуктов и вновь возвращают в реакционный аппарат (SO₂ и O₂ — в контактный аппарат; N₂ и H₂ — в колонну синтеза). Так достигается почти полное использование сырья.
Принцип противотока: вещества движутся навстречу друг другу, что увеличивает время и поверхность контакта (колчедан подают сверху, воздух — снизу; в поглотительной башне кислота стекает сверху вниз по керамическим кольцам, а газ идёт снизу вверх).
§ 27. Проверьте свои знания.
3. Напишите уравнения химических реакций, лежащих в основе получения серной кислоты из серы. Какая из реакций является обратимой?
Как в химической технологии решается вопрос максимального использования непрореагировавших исходных веществ?
1) S + O₂ = SO₂ + Q (сжигание серы, 1000 °C)
2) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ + Q (окисление на катализаторе V₂O₅, около 400 °C)
3) SO₃ + H₂O = H₂SO₄ + Q (на практике SO₃ поглощают концентрированной H₂SO₄ с образованием олеума)
Обратимой является вторая реакция — окисление оксида серы(IV) в оксид серы(VI): она идёт и в прямом, и в обратном направлении, поэтому в контактном аппарате превращается не весь SO₂ (до 98 %).
Максимальное использование непрореагировавших исходных веществ обеспечивает принцип циркуляции: SO₂ и O₂, не вступившие в реакцию, отделяют от SO₃ и возвращают в контактный аппарат.
2) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ + Q (окисление на катализаторе V₂O₅, около 400 °C)
3) SO₃ + H₂O = H₂SO₄ + Q (на практике SO₃ поглощают концентрированной H₂SO₄ с образованием олеума)
Обратимой является вторая реакция — окисление оксида серы(IV) в оксид серы(VI): она идёт и в прямом, и в обратном направлении, поэтому в контактном аппарате превращается не весь SO₂ (до 98 %).
Максимальное использование непрореагировавших исходных веществ обеспечивает принцип циркуляции: SO₂ и O₂, не вступившие в реакцию, отделяют от SO₃ и возвращают в контактный аппарат.
§ 27. Проверьте свои знания.
4. Напишите уравнение химической реакции, лежащей в основе производства аммиака. Дайте характеристику этой реакции по всем известным вам признакам классификации.
N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q
Характеристика реакции:
1) по числу и составу реагентов и продуктов — реакция соединения (из двух простых веществ образуется одно сложное);
2) по тепловому эффекту — экзотермическая (идёт с выделением теплоты Q);
3) по обратимости — обратимая (⇄);
4) по использованию катализатора — каталитическая (железный катализатор с добавками оксидов алюминия и калия);
5) по изменению степеней окисления — окислительно-восстановительная: N₂⁰ + 6ē → 2N⁻³ (азот — окислитель), H₂⁰ − 2ē → 2H⁺¹ (водород — восстановитель);
6) по агрегатному состоянию реагентов — гомогенная (все вещества — газы);
7) по изменению объёма — идёт с уменьшением объёма газов (из 4 объёмов получается 2), поэтому её проводят при высоком давлении.
Характеристика реакции:
1) по числу и составу реагентов и продуктов — реакция соединения (из двух простых веществ образуется одно сложное);
2) по тепловому эффекту — экзотермическая (идёт с выделением теплоты Q);
3) по обратимости — обратимая (⇄);
4) по использованию катализатора — каталитическая (железный катализатор с добавками оксидов алюминия и калия);
5) по изменению степеней окисления — окислительно-восстановительная: N₂⁰ + 6ē → 2N⁻³ (азот — окислитель), H₂⁰ − 2ē → 2H⁺¹ (водород — восстановитель);
6) по агрегатному состоянию реагентов — гомогенная (все вещества — газы);
7) по изменению объёма — идёт с уменьшением объёма газов (из 4 объёмов получается 2), поэтому её проводят при высоком давлении.
§ 27. Примените свои знания.
5. На сернокислотном заводе из 1 т серного колчедана получают 360 кг 100%-ной серной кислоты. Рассчитайте массовую долю выхода продукта реакции.
Дано: m(FeS₂) = 1 т = 1000 кг; m практ.(H₂SO₄) = 360 кг.
Найти: η(H₂SO₄).
Решение:
1) Из каждой формульной единицы FeS₂ получается 2 молекулы H₂SO₄ (два атома серы): FeS₂ → 2SO₂ → 2SO₃ → 2H₂SO₄.
M(FeS₂) = 56 + 2·32 = 120 кг/кмоль, M(H₂SO₄) = 98 кг/кмоль.
2) n(FeS₂) = 1000 : 120 ≈ 8,33 кмоль; n теор.(H₂SO₄) = 2 · 8,33 ≈ 16,67 кмоль.
3) m теор.(H₂SO₄) = 16,67 · 98 ≈ 1633 кг.
4) η = m практ. : m теор. = 360 : 1633 ≈ 0,22, или 22 %.
Ответ: массовая доля выхода серной кислоты ≈ 22 %.
Оговорка: в «Ответах» учебника указано 22,1 %; различие связано с округлением промежуточных значений (расчёт с точными числами даёт 22,0 %).
Найти: η(H₂SO₄).
Решение:
1) Из каждой формульной единицы FeS₂ получается 2 молекулы H₂SO₄ (два атома серы): FeS₂ → 2SO₂ → 2SO₃ → 2H₂SO₄.
M(FeS₂) = 56 + 2·32 = 120 кг/кмоль, M(H₂SO₄) = 98 кг/кмоль.
2) n(FeS₂) = 1000 : 120 ≈ 8,33 кмоль; n теор.(H₂SO₄) = 2 · 8,33 ≈ 16,67 кмоль.
3) m теор.(H₂SO₄) = 16,67 · 98 ≈ 1633 кг.
4) η = m практ. : m теор. = 360 : 1633 ≈ 0,22, или 22 %.
Ответ: массовая доля выхода серной кислоты ≈ 22 %.
Оговорка: в «Ответах» учебника указано 22,1 %; различие связано с округлением промежуточных значений (расчёт с точными числами даёт 22,0 %).
§ 27. Примените свои знания.
6. Какое количество теплоты выделится при взаимодействии 500 л азота с 1200 л водорода (н. у.), если тепловой эффект реакции равен 46 кДж на 1 моль аммиака?
Дано: V(N₂) = 500 л; V(H₂) = 1200 л (н. у.); Q = 46 кДж на 1 моль NH₃.
Найти: Q общ.
Решение:
1) N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q. n(N₂) = 500 : 22,4 ≈ 22,32 моль; n(H₂) = 1200 : 22,4 ≈ 53,57 моль.
2) Для реакции с 22,32 моль N₂ нужно 3 · 22,32 = 66,96 моль H₂, а имеется только 53,57 моль. Водород в недостатке, расчёт ведём по нему.
3) n(NH₃) = 2/3 · n(H₂) = 2/3 · 53,57 ≈ 35,71 моль.
4) Q = 46 кДж/моль · 35,71 моль ≈ 1643 кДж ≈ 1,64 МДж.
Ответ: выделится примерно 1,64 МДж (≈ 1643 кДж) теплоты.
Найти: Q общ.
Решение:
1) N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q. n(N₂) = 500 : 22,4 ≈ 22,32 моль; n(H₂) = 1200 : 22,4 ≈ 53,57 моль.
2) Для реакции с 22,32 моль N₂ нужно 3 · 22,32 = 66,96 моль H₂, а имеется только 53,57 моль. Водород в недостатке, расчёт ведём по нему.
3) n(NH₃) = 2/3 · n(H₂) = 2/3 · 53,57 ≈ 35,71 моль.
4) Q = 46 кДж/моль · 35,71 моль ≈ 1643 кДж ≈ 1,64 МДж.
Ответ: выделится примерно 1,64 МДж (≈ 1643 кДж) теплоты.
§ 27. Используйте дополнительную информацию.
7. Изучите диаграмму индекса химического производства в России в период с 1993 по 2020 г. [на рисунке: линейный график «Индекс химического производства в России, % от уровня предыдущего года», по оси x — годы 1993–2021, по оси y — от 50 до 140 %; минимум около 79–81 % в 1993–1994 гг., резкий максимум около 128 % в 1999 г., затем значения в пределах 94–110 %] Что показывает данная диаграмма?
Какие выводы о состоянии химической промышленности в России в этот период можно сделать?
Используя свои знания по истории России, соотнесите максимумы и минимумы на диаграмме с историческими событиями, происходившими в стране и мире в соответствующие годы.
Что показывает диаграмма. Это индекс химического производства — объём выпуска продукции в процентах к предыдущему году. Значение 100 % означает, что выпуск не изменился, выше 100 % — рост, ниже 100 % — спад. Диаграмма показывает не сам объём производства, а скорость его изменения.
Выводы. В 1993–1994 гг. индекс около 80 %: производство ежегодно падало примерно на 20 %. С 1995 г. кривая колеблется, но после 1999 г. она в основном выше 100 %: с 2001 г. по 2020 г. химическая промышленность России в целом растёт, с небольшими спадами. Падения были кратковременными, и за ними следовал подъём. К 2020 г. рост стал небольшим (около 1–3 % в год).
Соотнесение с событиями (значения оценены по графику, приблизительно).
1) Минимум 1993–1994 гг. (около 80 %) — последствия распада СССР, разрыв хозяйственных связей, переход к рыночной экономике, резкое падение спроса и инвестиций.
2) Спад 1996 г. (около 90 %) и 1998 г. (около 94 %) — трудности переходного периода; финансовый кризис и дефолт августа 1998 г.
3) Максимум 1999 г. (около 128 %) — после девальвации рубля импортные товары подорожали, российская продукция стала выгоднее, и производство быстро выросло (эффект импортозамещения и низкой базы предыдущего года).
4) 2000–2007 гг. (около 100–107 %) — восстановление экономики, рост цен на нефть и газ, рост внутреннего и внешнего спроса.
5) Минимум 2008–2009 гг. (около 94–95 %) — мировой финансово-экономический кризис, падение спроса; в 2010 г. отскок до 110 %.
6) 2014 г. (около 100 %) — ослабление рубля, санкции, замедление роста; 2020 г. (около 101 %) — пандемия COVID-19 и ограничения, но спад индекса не ушёл ниже 100 %.
Оговорка: числа считаны с графика приблизительно; исторические причины — общепринятые объяснения.
Выводы. В 1993–1994 гг. индекс около 80 %: производство ежегодно падало примерно на 20 %. С 1995 г. кривая колеблется, но после 1999 г. она в основном выше 100 %: с 2001 г. по 2020 г. химическая промышленность России в целом растёт, с небольшими спадами. Падения были кратковременными, и за ними следовал подъём. К 2020 г. рост стал небольшим (около 1–3 % в год).
Соотнесение с событиями (значения оценены по графику, приблизительно).
1) Минимум 1993–1994 гг. (около 80 %) — последствия распада СССР, разрыв хозяйственных связей, переход к рыночной экономике, резкое падение спроса и инвестиций.
2) Спад 1996 г. (около 90 %) и 1998 г. (около 94 %) — трудности переходного периода; финансовый кризис и дефолт августа 1998 г.
3) Максимум 1999 г. (около 128 %) — после девальвации рубля импортные товары подорожали, российская продукция стала выгоднее, и производство быстро выросло (эффект импортозамещения и низкой базы предыдущего года).
4) 2000–2007 гг. (около 100–107 %) — восстановление экономики, рост цен на нефть и газ, рост внутреннего и внешнего спроса.
5) Минимум 2008–2009 гг. (около 94–95 %) — мировой финансово-экономический кризис, падение спроса; в 2010 г. отскок до 110 %.
6) 2014 г. (около 100 %) — ослабление рубля, санкции, замедление роста; 2020 г. (около 101 %) — пандемия COVID-19 и ограничения, но спад индекса не ушёл ниже 100 %.
Оговорка: числа считаны с графика приблизительно; исторические причины — общепринятые объяснения.