Принципиально новое решение проблемы фиксации азота было найдено незадолго до Первой мировой войны. Речь идет о синтезе аммиака – основном процессе современной технологии связывания азота. Такой синтез был осуществлен известным немецким химиком Фрицем Габером в 1908 г. Оказалось, что при высоком давлении и температуре в присутствии осмиевого катализатора азот вступает в реакцию с водородом, в результате чего образуется аммиак:
N2 +3H2<=>2NH3.
Закономерности влияния давления и температуры на равновесие реакции были обобщены в так называемом принципе Ле Шателье, названном в честь его первооткрывателя – замечательного французского ученого. Пользуясь этим принципом, можно было определить, при каком именно давлении и температуре лучше всего проводить процесс синтеза аммиака. Рассмотрим реакцию, лежащую в основе получения целевого продукта:
N2 +3H2 2NH3 + 92 кДж.
Подбор оптимальных условий проведения синтеза осуществляется исходя из характеристик химической реакции.
1) Реакция обратимая, гомогенная (исходные вещества и продукты – это газы) и идет с уменьшением объема, следовательно, смещению равновесия в сторону продуктов повышенное давление.
2) Реакция экзотермическая, повышение температуры смещает химическое равновесие в сторону исходных веществ, а понижение температуры – в сторону продуктов реакции, но при этом скорость синтеза будет очень мала. Поэтому реакцию проводят при оптимальной для данного процесса температуре: 450–500 °С. Исходную смесь газов сначала нагревают в теплообменнике за счет движущихся противотоком выходящих газов, а затем в зоне экзотермической реакции. (Противоток – это движение различных веществ навстречу друг другу с целью создания наилучших условий для обмена энергией. )
3) Для ускорения синтеза, быстрейшего установления равновесия используют катализатор – восстановленное железо, активированное оксидами калия, алюминия и др.
Реагенты и продукты реакции находятся в газовой фазе и образуют гомогенную систему. Реакция протекает на поверхности твердых катализаторов. Такая реакция составляет особый класс гетерогенно-каталитических реакций. Большое значение имеет площадь поверхности катализатора. Катализатор изготавливают в виде губчатых гранул или таблеток. Поскольку активность катализатора сильно снижается от присутствия примесей, то реагирующие газы подвергают тщательной очистке (от воды, соединений серы и др.) .
4) При всех указанных условиях проведения реакции равновесный выход продукта составляет не более 20%. Поэтому синтез продукта осуществляется по многократной циркуляции, т. е. непрореагировавшую смесь газов многократно возвращают в производство после отделения от нее полученного продукта.
Сте́пень окисле́ния (окислительное число, формальный заряд) — вс условная величина для записи процессов окисления, восстановления и окислительно-восстановительных реакций. Она указывает на состояние окисления отдельного атомамолекулы и представляет собой лишь удобный метод учёта переноса электронов: она не является истинным зарядом атома в молекуле (см. #Условность).
Представления о степени окисления элементов положены в основу и используются приклассификации химических веществ, описании их свойств, составлении формулсоединений и их международных названий (номенклатуры). Но особенно широко оно применяется при изучении окислительно-восстановительных реакций.
Понятие степень окисления часто используют в неорганической химии вместо понятиявалентность.
2K + 2H2O → 2KOH + H2↑
Cu + H2SO4(разб.)≠ (Cu с разбавленной H2SO4 не реагирует, т.к. Сu стоит до Н2 в ряду электронапряжения.)
CaCO3 + CO2 + H2O ⇄ Ca(HCO3)2
Al(NO3)3 + Fe≠
Cu + NiSO4≠
4Li + O2 → 2Li2O (Kачественная реакция на соединения лития. Пламя имеет карминно-красный цвет.)
HBr + Pb≠
Be + 2H2O → Be(OH)2↓ + H2↑ (Реакция протекает при кипении.)
CuCl2 + Zn → ZnCl2 + Cu
2Fe + O2 →(t°<900°C) 2FeO (Реакция происходит при продувании воздуха через расплавленный чугун.)
3Fe + 2O2 →(t°=200-600°C) Fe3O4
MgSO4 + Na2CO3 → Na2SO4 + MgCO3↓
Fe2O3 + 2Al →(t°) 2Fe + Al2O3
Объяснение: