Најважније из лекције
Хабер-Бошов поступак: Директна синтеза амонијака према једначини \(\text{N}_2\text{(g)} + 3\text{H}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{NH}_3\text{(g)}\) (\(\Delta_r H = -92,2\text{ kJ/mol}\)).
Оптимални услови: Висок притисак (помера равнотежу удесно јер опада запремина), умерено висока/оптимална температура (компромис између приноса и брзине) и катализатор од чистог гвожђа (\(\text{Fe}\)).
Економичност процеса: Постиже се континуалним издвајањем течног амонијака хлађењем и рециркулацијом преосталих \(70\,\%\) неизреаговане гасне смеше помоћу циркуларне пумпе назад у реактор.
Оптимални услови: Висок притисак (помера равнотежу удесно јер опада запремина), умерено висока/оптимална температура (компромис између приноса и брзине) и катализатор од чистог гвожђа (\(\text{Fe}\)).
Економичност процеса: Постиже се континуалним издвајањем течног амонијака хлађењем и рециркулацијом преосталих \(70\,\%\) неизреаговане гасне смеше помоћу циркуларне пумпе назад у реактор.
Индустријско добијање амонијака заснива се на директној синтези из елемената - азота и водоника (Хабер-Бошов поступак).
\[ \text{N}_2\text{(g)} + 3\text{H}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{NH}_3\text{(g)} \quad \Delta_r H = -92,2 \text{ kJ/mol} \]
Синтеза амонијака из гасовитог азота и водоника
Реакција је повратна (равнотежна), егзотермна (\(\Delta_r H < 0\)) и тече уз смањење запремине (од 4 запремине реактаната настају 2 запремине производа).
Колико се молова гасовитих производа добија из 4 мола гасовитих реактаната у реакцији синтезе амонијака?
Према стехиометријским коефицијентима, из \(1\text{ mol } \text{N}_2\) и \(3\text{ mol } \text{H}_2\) (укупно \(4\text{ mol}\) гасова) настају \(2\text{ mol } \text{NH}_3\). Дакле, реакција се одвија уз смањење укупног броја молова гаса са 4 на 2.
Да би се постигао максималан принос и задовољавајућа брзина реакције, примењује се Ле Шатељеов принцип за одабир оптималних услова:
| Параметар | Промена | Утицај на равнотежу и принос |
|---|---|---|
| Притисак | Повећање притиска | Помера равнотежу удесно (у смеру мање запремине гасова), повећавајући принос \(\text{NH}_3\). |
| Температура | Снижење температуре | Термодинамички помера равнотежу удесно (јер је реакција егзотермна), али значајно успорава реакцију. Зато се бира оптимална (компромисна) температура. |
| Концентрација реактаната | Повећање \([\text{N}_2]\) или \([\text{H}_2]\) | Помера равнотежу удесно (ка стварању амонијака). |
| Уклањање производа | Континуално одвајање \(\text{NH}_3\) | Снижава концентрацију производа и помера равнотежу удесно. |
| Катализатор | Чисто гвожђе (\(\text{Fe}\)) | Убрзава успостављање равнотеже, али не мења њен положај нити равнотежни принос. |
Иако би на веома ниским температурама равнотежни принос био већи, реакција би била превише спора. Због тога се процес води на оптималној температури уз присуство катализатора од врло чистог гвожђа.
Смеша азота и водоника у запреминском односу \(1 : 3\) детаљно се чисти од примеса (тзв. „каталитичких отрова”) који би онеспособили катализатор.
Гасна смеша се сабија у компресору (1) на висок притисак и загрева (2).
Загрејана смеша под притиском улази у контактну пећ (3) где прелази преко цеви чија је унутрашњост обложена чистим гвожђем као катализатором (4). Око \(30\,\%\) гасне смеше се преведе у амонијак.
Смеша прелази у хладњак (5), где се амонијак услед хлађења лако кондензује и одваја у течном стању.
Неизреагована смеша азота и водоника се помоћу циркуларне пумпе (6) враћа назад у процес (принцип рециклаже), чиме се обезбеђује економичност производње.
Азот (\(\text{N}_2\)) - добија се фракционом дестилацијом течног ваздуха.
Водоник (\(\text{H}_2\)) - индустријски се добија из воденог гаса.
Катализатор (\(\text{Fe}\)) - добија се редукцијом руда гвожђа у високој пећи и додатно пречишћава.
Задаци за вежбање
1. (Лако) У ком запреминском односу се мешају азот и водоник пре увођења у процес синтезе амонијака?
Према једначини хемијске реакције \(\text{N}_2\text{(g)} + 3\text{H}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{NH}_3\text{(g)}\), гасови се мешају у запреминском односу \(V(\text{N}_2) : V(\text{H}_2) = 1 : 3\) (једна запремина азота на три запремине водоника).
2. (Средње) Зашто се индустријска синтеза амонијака не изводи на веома ниској температури када се зна да је реакција егзотермна и да ниска температура помера равнотежу ка стварању производа?
Иако снижење температуре фаворизује равнотежни принос егзотермне реакције, оно истовремено драстично успорава брзину реакције. На ниској температури брзина успостављања равнотеже била би премала за економичну индустријску производњу. Зато се бира компромисна (оптимална) температура уз употребу катализатора (гвожђа).
3. (Средње) Како континуално одвајање течног амонијака у хладњаку утиче на даљи ток хемијске реакције у систему?
Континуалним одвајањем амонијака из реакционе смеше смањује се његова концентрација у систему. Према Ле Шатељеовом принципу, систем тежи да надокнади уклоњени производ, па се хемијска равнотежа константно помера удесно (у смеру даљег настајања амонијака).
4. (Тешко) Ако је степен претварања реакционе смеше у једном пролазу кроз контактну пећ \(30\,\%\), колика се запремина амонијака (при нормалним условима) издваја из полазне количине од \(0,5\text{ mol}\) азота и стехиометријске количине водоника?
- Према једначини реакције, из \(1\text{ mol } \text{N}_2\) теоријски настаје \(2\text{ mol } \text{NH}_3\). Из \(0,5\text{ mol } \text{N}_2\) теоријски настаје: \[ n_{\text{теор}}(\text{NH}_3) = 2 \cdot 0,5\text{ mol} = 1\text{ mol} \]
- Теоријска запремина амонијака при нормалним условима износи: \[ V_{\text{теор}}(\text{NH}_3) = n \cdot V_m = 1\text{ mol} \cdot 22,4\text{ dm}^3/\text{mol} = 22,4\text{ dm}^3 \]
- Стварни принос у једном пролазу је \(30\,\%\) (\(\eta = 0,30\)): \[ V(\text{NH}_3) = 0,30 \cdot 22,4\text{ dm}^3 = 6,72\text{ dm}^3 \]
