Условие
Промышленный синтез аммиака описывается обратимой реакцией N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q. Объясните, как повлияет на выход аммиака повышение давления, повышение температуры, увеличение концентрации азота и отвод аммиака из зоны реакции. Почему на практике всё-таки не охлаждают реактор до минимума?
Что известно и что ищем
- Известно уравнение обратимой реакции и тепловой эффект: реакция экзотермическая.
- Ищем направление смещения равновесия при каждом воздействии.
- Отдельно нужно снять противоречие: «выгодная температура» и «выгодная скорость» — не одно и то же.
Ход решения
- Шаг 1. Считаем молекулы газа слева и справа. Слева четыре молекулы (одна азота и три водорода), справа две. Повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего числа газовых молекул, то есть в сторону аммиака.
- Шаг 2. Разбираем температуру. Прямая реакция идёт с выделением теплоты, значит при нагревании система «сопротивляется» и смещается в сторону обратной реакции: выход аммиака падает. Если температуру снизить, равновесие сместится к аммиаку.
- Шаг 3. Добавляем азот. Система расходует часть добавленного вещества, значит равновесие смещается вправо, к аммиаку. Так же работает и отвод аммиака: убираем продукт — система восполняет его, и прямая реакция «подтягивается».
- Шаг 4. Снимаем противоречие с температурой. При низкой температуре выход высокий, но реакция идёт настолько медленно, что производство простаивало бы. Поэтому выбирают компромисс: умеренно высокую температуру, повышенное давление, избыток азота и катализатор, который ускоряет приближение к равновесию.
- Шаг 5. Проверяем рассуждение: катализатор в этом списке отвечает только за скорость. Он не увеличивает выход, а лишь сокращает время, за которое равновесие установится.
Проверь себя
- Ответ: давление и избыток азота повышают выход аммиака; нагревание снижает; отвод аммиака повышает; катализатор выход не меняет.
- Проверка вывода: направление смещения определяли по принципу Ле Шателье, а не по «памяти», и каждый раз называли, какому воздействию система сопротивляется.
- Ловушка: ответить «нужно как можно холоднее». Равновесие действительно сместится к аммиаку, но производство ждать не будет: скорость при низкой температуре слишком мала.
Как объяснить ребёнку
«Равновесие — это упрямая система: сделай ей неудобно, и она постарается вернуть как было. Сжали газ — она уходит туда, где молекул меньше. Нагрели — уходит в сторону, которая забирает тепло. Добавили азот — старается его израсходовать. Но производство выбирает не только "где выгоднее", но и "где быстрее", поэтому температуру берут не самую низкую, а такую, где и выход приличный, и реакция не спит».
Тема для отчёта родителю
«Принцип Ле Шателье в синтезе аммиака: давление, температура и компромисс производства».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.