Последовательные и параллельные реакции

8 заданий

Последовательные стадии

Многие промышленные продукты получают в несколько стадий: продукт одной реакции становится исходным веществом для следующей. Такие реакции называют последовательными. Например, азотную кислоту получают процессом Оствальда, в котором аммиак сначала окисляют, а затем продукты окисления превращают в кислоту:

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

Для расчёта количества конечного продукта составляют материальный баланс: учитывают, сколько вещества поступает на каждую стадию и сколько продукта образуется. Выходом стадии называют отношение реально полученного количества продукта к количеству, рассчитанному по уравнению реакции. Если на каждой стадии выход меньше 100 %, на следующую стадию поступает меньше вещества, чем могло бы поступить теоретически. Поэтому общий выход равен произведению выходов стадий, записанных в долях единицы. При выходах 95 % и 98 % общий выход после округления до целых процентов составляет \(0{,}95\cdot0{,}98 = 93\) %.

Если требуется найти только конечное количество кислоты, рассчитывать количество вещества на каждой стадии не обязательно. Согласно уравнениям основного процесса, одному атому азота в исходном аммиаке соответствует один атом азота в полученной азотной кислоте. Потери учитывает общий выход, поэтому \(n(\ce{HNO3}) = n(\ce{NH3})\cdot\eta_\text{общ}\). Суммарное уравнение основного процесса имеет вид \(\ce{NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}\).

history_eduВильгельм Оствальд и производство азотной кислоты

В 1902 году Вильгельм Оствальд запатентовал каталитическое окисление аммиака на платине, а в 1909 году получил Нобелевскую премию за исследования катализа и химического равновесия. Вместе с синтезом аммиака по Габеру — Бошу процесс Оствальда сделал азотную кислоту дешёвой. В Первую мировую войну Германия, лишённая доступа к чилийской селитре, использовала азот воздуха для производства взрывчатых веществ и удобрений.

scienceМногостадийные производства

\(\ce{4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O}\), \(\ce{2NO + O2 -> 2NO2}\), \(\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}\) — при производстве азотной кислоты аммиак окисляют, а выделившийся на стадии образования кислоты \(\ce{NO}\) снова направляют на окисление.
\(\ce{S + O2 -> SO2}\), \(\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3}\), \(\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}\) — при производстве серной кислоты серу последовательно превращают в диоксид серы, триоксид серы и кислоту.
\(\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NaHCO3 v + NH4Cl}\), \(\ce{2NaHCO3 ->[t] Na2CO3 + CO2 ^ + H2O}\), \(\ce{2NH4Cl + Ca(OH)2 -> CaCl2 + 2NH3 ^ + 2H2O}\) — при получении соды по Сольве гидрокарбонат натрия разлагают нагреванием, а аммиак возвращают в процесс.

Параллельные реакции и селективность

Бывает и так, что одно и то же исходное вещество расходуется одновременно в нескольких реакциях и образует разные продукты; такие реакции называют параллельными. Такие реакции называют параллельными. Например, при окислении аммиака на платине наряду с основной реакцией образования оксида азота идёт побочная реакция образования азота:

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

Для расчёта количества нужного продукта важно различать, сколько исходного вещества прореагировало вообще и сколько из него израсходовано в основной реакции. Эти стороны процесса описывают три величины:

Степень превращения \(X\) показывает, какая доля исходного сырья вступила в реакции.
Селективность \(S\) показывает, какая доля прореагировавшего сырья превратилась в нужный продукт.
Выход \(\eta = X\cdot S\) показывает, какая доля исходного сырья превратилась в нужный продукт.

На хорошем платино-родиевом катализаторе при 850 °C превращение аммиака почти полное, а селективность по \(\ce{NO}\) составляет 95–97 %. При низкой температуре возрастает доля побочной реакции с образованием азота.

scienceПараллельные реакции в неорганике

\(\ce{Cl2 + 2KOH -> KCl + KClO + H2O}\) и \(\ce{3Cl2 + 6KOH -> 5KCl + KClO3 + 3H2O}\) — при взаимодействии хлора со щёлочью соотношение образующихся гипохлорита и хлората зависит от температуры.
\(\ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2}\) и \(\ce{4KClO3 -> 3KClO4 + KCl}\) — при разложении хлората калия в присутствии катализатора и без него образуются разные продукты.
\(\ce{2Mg + O2 -> 2MgO}\) и \(\ce{3Mg + N2 -> Mg3N2}\) — при сгорании магния на воздухе часть магния реагирует с азотом и образует нитрид.
\(\ce{Cu + 4HNO3 -> Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O}\) и \(\ce{3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O}\) — при взаимодействии меди с азотной кислотой по мере разбавления кислоты растёт доля \(\ce{NO}\).

errorСелективность не равна выходу

Если прореагировало 80 % сырья, а селективность составила 90 %, выход нужного продукта равен лишь 72 %. Когда в задаче требуется найти выход в расчёте на взятое сырьё, селективность нужно умножить на степень превращения.

push_pinГлавное

В цепочке последовательных реакций общий выход равен произведению выходов стадий, а количество конечного продукта удобно рассчитывать по элементу, переходящему из исходного вещества в продукт. При параллельных реакциях исходное вещество расходуется на образование разных продуктов. Степень превращения показывает долю прореагировавшего сырья, селективность — долю прореагировавшего сырья, превратившуюся в нужный продукт, а выход равен произведению степени превращения и селективности.

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