Последовательные и параллельные реакции

8 заданий

Последовательные стадии

Большинство промышленных продуктов получают в несколько стадий. Азотную кислоту — процессом Оствальда:

\[\ce{4NH3 + 5O2 ->[Pt/Rh,\ 850^\circ C] 4NO + 6H2O}\qquad \ce{2NO + O2 -> 2NO2}\qquad \ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}\]

Если выход каждой стадии меньше 100 %, потери накапливаются: общий выход равен произведению выходов стадий. При выходах 95 % и 98 % общий — \(0{,}95\cdot0{,}98 = 93\) %.

Считать по всем уравнениям не обязательно: азот аммиака целиком переходит в азотную кислоту, поэтому \(n(\ce{HNO3}) = n(\ce{NH3})\cdot\eta_\text{общ}\). Суммарное уравнение процесса: \(\ce{NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}\).

history_eduВильгельм Оствальд и азот

В 1902 году Вильгельм Оствальд запатентовал каталитическое окисление аммиака на платине, а в 1909 году получил Нобелевскую премию — за катализ и химическое равновесие. В паре с синтезом аммиака Габера — Боша его процесс сделал азотную кислоту дешёвой, и в Первую мировую войну Германия, отрезанная от чилийской селитры, получала взрывчатку и удобрения «из воздуха».

scienceМногостадийные производства

\(\ce{4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O}\) → \(\ce{2NO + O2 -> 2NO2}\) → \(\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}\) — выделившийся \(\ce{NO}\) снова окисляют.
\(\ce{S + O2 -> SO2}\) → \(\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3}\) → \(\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}\) — серная кислота из серы.
\(\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NaHCO3 v + NH4Cl}\) → \(\ce{2NaHCO3 ->[t] Na2CO3 + CO2 ^ + H2O}\) — сода по Сольве; аммиак возвращают: \(\ce{2NH4Cl + Ca(OH)2 -> CaCl2 + 2NH3 ^ + 2H2O}\).

Параллельные реакции и селективность

Часто одно и то же сырьё может превращаться в разные продукты. При окислении аммиака на платине наряду с основной реакцией идёт побочная:

\[\ce{4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O}\qquad \text{и}\qquad \ce{4NH3 + 3O2 -> 2N2 + 6H2O}\]

Три разные величины описывают такой процесс:

степень превращения \(X\) — доля сырья, которая вообще прореагировала;
селективность \(S\) — доля прореагировавшего сырья, превратившаяся в нужный продукт;
выход \(\eta = X\cdot S\) — доля исходного сырья, ставшая нужным продуктом.

На хорошем платино-родиевом катализаторе при 850 °C превращение аммиака почти полное, а селективность по \(\ce{NO}\) — 95–97 %; при низкой температуре выигрывает побочная реакция с образованием азота.

scienceПараллельные реакции в неорганике

\(\ce{Cl2 + 2KOH -> KCl + KClO + H2O}\) и \(\ce{3Cl2 + 6KOH -> 5KCl + KClO3 + 3H2O}\) — соотношение гипохлорита и хлората зависит от температуры.
\(\ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2}\) и \(\ce{4KClO3 -> 3KClO4 + KCl}\) — с катализатором и без.
\(\ce{2Mg + O2 -> 2MgO}\) и \(\ce{3Mg + N2 -> Mg3N2}\) — магний, сгорающий на воздухе, частично даёт нитрид.
\(\ce{Cu + 4HNO3 -> Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O}\) и \(\ce{3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O}\) — по мере разбавления кислоты растёт доля \(\ce{NO}\).

errorСелективность — не выход

Если превратилось 80 % сырья, а селективность 90 %, выход нужного продукта — лишь 72 %. В задачах часто спрашивают именно выход «на взятое сырьё»: не забудьте умножить на степень превращения.

push_pinГлавное

В цепочке последовательных стадий общий выход равен произведению выходов стадий, а сквозной расчёт удобно вести по сохраняющемуся элементу. При параллельных реакциях одно вещество расходуется на несколько продуктов: степень превращения — доля прореагировавшего сырья, селективность — доля превращённого сырья, ушедшая в нужный продукт, выход = превращение × селективность.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.