| Предыдущая задача | Содержание | Следующая задача | 38-ая Международная Химическая Олимпиада Тренировочные задачи |
Синтез аммиака – один из примеров использования химии во благо человечества. Несмотря на то, что к фиксации азота способны даже простые живые организмы, существующие сотни миллионов лет, человечество научилось синтезировать аммиак из воздуха только сто лет назад.
Аммиак является источником азота для синтеза практически всех азотсодержащих соединений, например аминокислот, азотных удобрений и нитросоединений (тринитротолуол и т.п.). Мировое производство аммиака составляет более 100 миллионов тонн (больше – только у серной кислоты). Однако, природное производство аммиака еще больше.
Главная проблема при синтезе аммиака из простых веществ – большая энергия связи в молекуле N2, для разрыва которой необходимы специальные условия или использование катализатора. В начале 20-го века был разработан метод Габера-Боша – синтез при высоких давлении и температуре, который применяется в химической промышленности и по сей день. За свои заслуги Габер и Бош получили Нобелевские премии по химии в 1918 и 1931 годах соответственно.
16-1. Рассмотрим реакцию синтеза с термодинамической точки зрения. Рассчитайте стандартное изменение энтропии в реакции:
N2(г) + 3H2(г) ® 2NH3(г)
Стандартные энтропии N2, H2, и NH3 составляют 191.6, 130.7 и 192.5 Дж/(моль×К), соответственно. Увеличивается или уменьшается энтропия системы в ходе реакции? Если уменьшается, то в каком случае реакция будет протекать самопроизвольно?
16-2. Для того чтобы убедиться, что образование аммиака – реакция экзотермическая, сравним ее с аналогичной реакцией соединения водорода и кислорода. Экзотермическая или эндотермическая последняя реакция? Сопоставьте веществам их энтальпии образования (ΔfHo в кДж/моль):
H2O(г) • • –46.11
HF(г) • • –241.82
NH3(г) • • –271.1
16-3. Используя выбранное значение ΔfHo, рассчитайте суммарное изменение энтропии системы и окружающей среды в реакции синтеза аммиака при 25 oC.
16-4. Другой важный аспект – скорость протекания химической реакции. Лимитирующей стадией рассматриваемой реакции является атомизация азота. Считая, что энергия активации этой реакции равна энергии связи (940 кДж/моль), а предэкспоненциальный множитель A = 1013 с–1, рассчитайте константу скорости при 800 oC, используя уравнение Аррениуса. Рассчитайте константу скорости, если энергия активации уменьшается в присутствии катализатора в 2 раза.
Химическая промышленность использует огромные количества катализаторов. Заводу, производящему 1000 тонн аммиака в день, требуется 100 тонн катализатора. Кроме катализаторов на основе железа, используемых со времен Габера и Боша, также используются рутениевые катализаторы. Изучается возможность использования комплексных соединений металлов для гомогенного катализа синтеза аммиака в растворе.
16-5. При гетерогенном катализе реакция происходит на поверхности катализатора и ее скорость зависит от площади поверхности. Рассчитайте число молей азота, адсорбированного 1 кг высокодисперсного железа, считая его состоящим из кубиков с ребром 1 мкм, способных адсорбировать всей поверхностью. Плотность железа 7.86 г/см3, а площадь, занимаемая молекулой азота – 0.16 нм2.
16-6. Сколько азота может присоединить 1 кг растворимого гомогенного катализатора с молярной массой 500 г/моль? Считайте что молекула катализатора связывает одну молекулу азота. Сравните результат с ответом на вопрос 16-5.
16-7. В промышленности аммиак синтезируют при высоких давлении и температуре, а в природе тот же процесс происходит при атмосферном давлении азота 0.8 атм. Ферменты, катализирующие этот процесс (нитрогеназы), представляют собой белки с кофакторами, содержащими железо или молибден. Синтез аммиака представляет собой реакцию переноса электрона: N2(г) + 8H+ + 8e–® 2NH3(г) + H2(г). Энергия, необходимая для этой реакции, выделяется при гидролизе 16 молекул АТФ до АДФ. Энергетический эффект гидролиза АТФ составляет 30.5 кДж/моль. Рассчитайте энергию, необходимую для ферментативного синтеза 1 моля аммиака (в промышленности на это тратится 400 кДж).
Ответ
16-1. -198.7 Дж/К.
16-3. +111 Дж/К.
16-4. 1.73×10-33 с-1, 1.32×10-10 с-1.
16-5. 7.92×10-3 моль.
16-6. 2 моль.
16-7. 244 кДж/моль.