Решебник по химии 9 класс Габриелян §27

Получение важнейших химических соединений неметаллов

Стр. 137

Вопрос

Вы познакомились с производством простых веществ — неметаллов. А как в промышленности получают важнейшие соединения неметаллов?

В промышленности важнейшие соединения неметаллов получают путём различных химико-технологических процессов, специально подобранных под свойства конкретного неметалла и желаемого соединения.

Например:

1. Производство серной кислоты (H₂SO₄)

Это один из важнейших процессов. Он включает три стадии:

• Обжиг серы или пирита (FeS₂) для получения диоксида серы (SO₂)

• Каталитическое окисление SO₂ до триоксида серы (SO₃) на ванадиевом катализаторе

• Поглощение SO₃ водой с образованием H₂SO₄ или вначале — олеума.

Пример уравнений:

(4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂)

(2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃)

(SO₃ + H₂O → H₂SO₄)

2. Получение аммиака (NH₃)

Аммиак получают синтезом из простых веществ — азота и водорода — по реакции:

(N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q)

Реакция проводится при высокой температуре (450–500 °C), высоком давлении (до 30 МПа) и в присутствии железного катализатора. Это — синтез Габера-Боша.

3. Получение кремниевых соединений

Кремний получают из диоксида кремния (SiO₂) восстановлением углеродом при температуре около 2000 °C:

(SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑)

Из кремния получают силициды, кремниевую кислоту, силикатные материалы и стекло.

4. Получение хлора и соляной кислоты (HCl)

Хлор получают электролизом раствора хлорида натрия:

(2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + Cl₂↑ + H₂↑)

Хлор затем может реагировать с водородом:

(H₂ + Cl₂ → 2HCl)

5. Получение фосфорных соединений

Фосфор получают восстановлением фосфата кальция с песком и коксом:

(Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO↑)

Фосфор используют для получения фосфорной кислоты и удобрений.

Таким образом, в промышленности для получения соединений неметаллов применяют процессы:

• Окисления (например, для получения кислот)

• Восстановления (для получения чистых неметаллов)

• Электролиза (для выделения активных веществ — например, хлора)

• Реакций соединения (для получения кислот и солей)

• Принципы противотока, теплообмена и циркуляции (для повышения эффективности).

Эти процессы позволяют производить соединения неметаллов в больших масштабах для нужд промышленности, сельского хозяйства, медицины и других сфер.

Стр. 141

Проверьте свои знания

1. Назовите основные стадии химического производства: а) серной кислоты; б) аммиака.

а) Производство серной кислоты (по контактному способу) включает три основные стадии:

1. Получение диоксида серы (SO₂)

Это происходит при обжиге серосодержащих веществ, таких как сера или железный колчедан (FeS₂). Пример уравнения:

(4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂↑)

2. Окисление SO₂ до триоксида серы (SO₃)

Реакция проходит в контактном аппарате при наличии катализатора (V₂O₅): (2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ + Q)

3. Поглощение SO₃ водой с образованием серной кислоты (H₂SO₄)

(SO₃ + H₂O → H₂SO₄ + Q)

Однако прямое взаимодействие с водой сопровождается образованием тумана, поэтому на практике используют поглощение SO₃ концентрированной серной кислотой с образованием олеума:

(SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇)

Затем олеум разбавляют водой:

(H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄)

б) Производство аммиака осуществляется по реакции синтеза азота и водорода:

1. Получение исходных веществ

   Используют азот (N₂) из воздуха и водород (H₂), получаемый, например, из метана.

2. Синтез аммиака (NH₃)

(N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q)

Реакция идёт в колонне синтеза при температуре 450–500 °C, давлении 200–300 атм и с использованием железного катализатора.

3. Очистка, охлаждение, циркуляция

Часть газов не вступает в реакцию сразу, поэтому непрореагировавшие газы направляют на повторный цикл — циркуляцию.

2. Охарактеризуйте основные методы и принципы химической технологии: метод кипящего слоя, принципы теплообмена, циркуляции, противотока.

Метод кипящего слоя — используется при обжиге колчедана. Мелко измельчённый материал подаётся в печь и за счёт подаваемого снизу воздуха взвешивается, создавая слой, напоминающий кипящую жидкость. Это обеспечивает равномерный нагрев и интенсивное течение реакции.

Принцип теплообмена — применяется для рационального использования тепла. Например, тепло, выделяющееся при реакции образования SO₃ в контактном аппарате, используется для подогрева исходного газа с помощью трубчатого теплообменника.

Принцип циркуляции — означает возврат непрореагировавших веществ (например, азота и водорода) обратно в зону реакции. Это позволяет значительно повысить выход продукта.

Принцип противотока — вещества подаются навстречу друг другу: например, колчедан сверху, а воздух снизу в печь. Это ускоряет процесс и повышает эффективность.

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?

(S + O₂ → SO₂) — горение серы

(2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ + Q) — обратимая реакция окисления диоксида серы

(SO₃ + H₂O → H₂SO₄ + Q) — образование серной кислоты

Обратимой является реакция (2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃). Чтобы увеличить выход SO₃, используют избыточное давление, оптимальную температуру (около 400 °C) и катализатор (V₂O₅).

Для максимального использования исходных веществ применяется циркуляция — непрореагировавшие газы возвращаются в контактный аппарат на повторную реакцию.

4. Напишите уравнение химической реакции, лежащей в основе производства аммиака. Дайте характеристику этой реакции по всем известным вам признакам классификации.

Уравнение: (N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q)

Характеристика:

• Обратимая: ⇄ — равновесие между реагентами и продуктом.

• Экзотермическая: реакция идёт с выделением теплоты (Q).

• Гетерогенная: катализатор (твёрдый Fe) + газы.

• Синтез: образуется более сложное вещество — аммиак.

• Каталитическая: необходим катализатор — железо.

• Давление: проходит при высоком давлении (200–300 атм).

• Температура: оптимальная — 450–500 °C.

• Циркуляционная: непрореагировавшие газы возвращают на повторную реакцию.

Стр. 141

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.

Масса исходного вещества (серного колчедана): 1 т = 1000 кг

Масса полученной серной кислоты: 360 кг

Формула для расчёта массовой доли выхода продукта:

Выход (%) = (масса полученного продукта / масса исходного вещества) × 100%

Подставляем значения:

Выход (%) = (360 кг / 1000 кг) × 100% = 36%

Ответ: массовая доля выхода продукта составляет 36%.

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?

Реакция синтеза аммиака:

(N₂ + 3H₂ → 2NH₃ + 92 кДж)

По условию — 46 кДж на 1 моль NH₃ (то есть половина теплового эффекта на 2 моль NH₃).

Объёмы газов даны при нормальных условиях, значит, можно использовать соотношение:

1 моль любого газа при н.у. занимает 22,4 л.

1. Рассчитаем количество молей газов:

N₂: 500 л / 22,4 л/моль ≈ 22,32 моль

H₂: 1200 л / 22,4 л/моль ≈ 53,57 моль

2. Найдём, сколько моль NH₃ можно получить по уравнению (1 моль N₂ : 3 моль H₂ → 2 моль NH₃)

На 1 моль N₂ нужно 3 моль H₂.

Проверим, какой реагент в недостатке:

22,32 моль N₂ × 3 = 66,96 моль H₂ нужно, но есть только 53,57 моль → значит, H₂ в недостатке.

53,57 моль H₂ / 3 = 17,86 моль N₂ — максимум, который может прореагировать.

Тогда образуется:

17,86 моль N₂ даст 2 × 17,86 = 35,72 моль NH₃

3. Энергия на 1 моль NH₃ — 46 кДж →

Q = 46 кДж/моль × 35,72 моль ≈ 1643,12 кДж

Ответ: при реакции выделится примерно 1643 кДж теплоты.

Стр. 141

Используйте дополнительную информацию

7. Изучите диаграмму индекса химического производства в России в период с 1993 по 2020 г.

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.

Данная диаграмма показывает, как изменялся индекс химического производства в России с 1993 по 2020 год. Индекс выражен в процентах от уровня предыдущего года, то есть он показывает рост или спад производства по сравнению с прошлым годом. Если индекс выше 100 %, значит, производство выросло, если ниже 100 % — снизилось.

На диаграмме можно выделить несколько характерных периодов:

— 1993–1998 годы — индекс химического производства в России был нестабильным, в некоторые годы наблюдается снижение до 90–95 %. Это связано с общим спадом промышленного производства после распада СССР и экономическим кризисом. Особенно заметен спад в 1998 году, который совпал с крупным финансовым кризисом (дефолтом), приведшим к снижению производства в различных отраслях.

— 1999–2000 годы — резкий рост индекса до 130 %, что отражает восстановление экономики после кризиса и рост промышленности на фоне повышения цен на нефть и газ, а также начала политики импортозамещения.

— 2001–2008 годы — относительно стабильный уровень, колеблющийся около 105–110 %, что свидетельствует о постепенном развитии химической промышленности. Это связано с общим экономическим подъёмом страны, расширением экспорта, особенно удобрений и химических продуктов.

— 2009 год — резкий спад индекса до уровня ниже 90 %. Это объясняется мировым финансово-экономическим кризисом 2008 года, который вызвал сокращение промышленного производства по всему миру, включая Россию.

— 2010–2014 годы — индекс снова стабилизируется в районе 105 %, что говорит о восстановлении и дальнейшем умеренном росте.

— 2015–2016 годы — незначительное снижение индекса, связанное с экономическими санкциями, введёнными после событий 2014 года, снижением цен на нефть и падением рубля. Это затруднило импорт оборудования и сырья для химических производств.

— 2017–2020 годы — индекс колеблется около 100 %, что говорит о стагнации: химическая промышленность не показывает ни резкого роста, ни падения. На 2020 год приходится начало пандемии COVID-19, которая оказала влияние на весь промышленный сектор, включая химию, хотя падение индекса было не столь критичным.

Выводы: Диаграмма отражает сильную зависимость химической промышленности от экономической и политической ситуации в стране и в мире. В периоды кризисов (1998, 2009, 2015) наблюдается снижение производства. В периоды стабилизации и роста экономики (2000-е годы) индекс увеличивается. При этом химическая отрасль остаётся одной из важных и устойчивых сфер промышленности, сумевшей адаптироваться к новым условиям.