Получение азотной кислоты

[CaptainBlack]

Прочитал в учебнике про получение азотной кислоты, и меня интересует оттуда одна реакция:
$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt} 4NO + 6H_2O + 907 kJ$
Реакция экзотермическая, проходит в присутствии платины как катализатора и проходит при температуре в 750 градусов цельсия. А дальше вопрос:
Я правильно понял, что для того, чтобы реакция прошла, нужно нагреть аммиак и кислород до 750 градусов? Но тогда я могу найти, сколько теплоты на это уйдет. Я знаю молярные массы аммиака и кислорода, количество молей того и другого и знаю их теплоемкости(я знаю, что теплоемкость на самом деле функция от температуры, но для простоты расчета возьму среднюю по температурному режиму). Температура $T_2 = 750$, $T_1 = 25$. Расчет делаем по школьной формуле:
$Q=cm(T_2-T_1)$
Получаем, что, чтобы подогреть 4 моля аммиака до 750 градусов, нужно потрать ~150 кДж энергии и еще ~120 кДж на 5 молей кислорода. В сумме - 270 кДж. А выход реакции при этом(как написано в книжке) 907 кДж. Значит ли это, что избыток тепла можно направить обратно в зону реакции, чтобы нагревать следующую порцию реагентов? То есть дальнейшая реакция вроде как должна идти без внешнего подогрева - только реагенты добавлять надо. Это так?

[madschumacher]

CaptainBlack в сообщении #1401919 писал(а):

То есть дальнейшая реакция вроде как должна идти без внешнего подогрева - только реагенты добавлять надо.

Смотрите, реакция каталитическая, наверняка значит обратимая. Справа у Вас 10 молекул, справа - - 9, значит при реакции будет происходить повышение давления, реакция будет идти в обратную сторону, и добавление реагентов при отсутствии отвода продуктов этому не будет способствовать. Опять же, по всё тому же принципу Ле Шаурма (спасибо, автозамена, мне понравилось, поэтому оставлю), дополнительное нагревание реакции будет приводить к обращению реакции, поэтому (тут без конкретики сложно), отсутствие отвода тепла будет приводить к обращению реакции вспять. Конечно, избытки тепла от реакции можно использовать как душе угодно, в системе будет достаточно энергии на подогрев реагентов, но о равновесии в каталитических процессах забывать наверное не стоит.

[CaptainBlack]

madschumacher
Спасибо за ответ. Вот вы говорите, что реакция скорее всего обратима, но в википедии написано, что она практически необратима. Это первое. Второе, вы говорите, что давление будет нарастать, потому что справа больше молекул, чем слева. Это спорное утверждиние, потому что, во-первых, вы не учитываете размеры этих молекул, а во-вторых не учитываете, что зона реакции может быть открытой, а не замкнутой. В третьих, принцип Ле-Шателье относится к состоянию равновесия, но здесь вроде как не происходит обратной реакции. Мой вопрос относится даже не к конкретно этой реакции, а ко всем экзотермическим реакциям, которые требуют энергии активации(нагрева), то есть почему не используется(или используется?) тепло из реакции для поддержания температуры.

[Lia]

Тема перемещена из форума «Химия» в форум «Карантин»
по следующим причинам:

- неправильно набраны формулы (краткие инструкции: «Краткий FAQ по тегу [math]» и видеоролик Как записывать формулы);


Исправьте все Ваши ошибки и сообщите об этом в теме Сообщение в карантине исправлено.
Настоятельно рекомендуется ознакомиться с темами Что такое карантин и что нужно делать, чтобы там оказаться и Правила научного форума.

[Pphantom]

Тема перемещена из форума «Карантин» в форум «Химия»

[realeugene]

CaptainBlack в сообщении #1401919 писал(а):

Значит ли это, что избыток тепла можно направить обратно в зону реакции, чтобы нагревать следующую порцию реагентов?

Да, в соответствующим образом сконструированном реакторе именно это и значит. Если вы не ошиблись в расчётах, не проверял. Можно нагревать новые порции реагентов, и ещё останется достаточно тепла, чтобы вскипятить чай на ужин. Продукты реакции можно не охлаждать. Если их охладить в теплообменнике, то можно получить ещё больше горячего чая.

[madschumacher]

CaptainBlack в сообщении #1401932 писал(а):

Это спорное утверждиние, потому что, во-первых, вы не учитываете размеры этих молекул

Это не спорное утверждение, а банальный факт, который стыдно не знать. Поправки к уравнению $PV=nRT$ на размер молекул очень малы, поскольку для их заметности необходимо, чтобы расстояния между молекулами было сопоставимо с их размерами.

CaptainBlack в сообщении #1401932 писал(а):

а во-вторых не учитываете, что зона реакции может быть открытой, а не замкнутой.

madschumacher в сообщении #1401927 писал(а):

при отсутствии отвода продуктов этому не будет способствовать.

Я об этом написал, если Вы не заметили.

CaptainBlack в сообщении #1401932 писал(а):

В третьих, принцип Ле-Шателье относится к состоянию равновесия, но здесь вроде как не происходит обратной реакции.

А это уже факт о катализаторах. По определению, они не меняют термохимии, они помогают быстрее достичь равновесия.

CaptainBlack в сообщении #1401932 писал(а):

то есть почему не используется(или используется?) тепло из реакции для поддержания температуры.

Используется по дефолту: у Вас эта теплота уходит в нагрев всей системы. Вы же, когда у Вас горит костёр, не тратите дополнительных усилий на нагрев дров, Вы просто их подкидываете в огонь.

[rockclimber]

CaptainBlack в сообщении #1401932 писал(а):

Мой вопрос относится даже не к конкретно этой реакции, а ко всем экзотермическим реакциям, которые требуют энергии активации(нагрева), то есть почему не используется(или используется?) тепло из реакции для поддержания температуры.

Вовсю используется, даже слово специальное для этого придумали - рекуперация (точнее, в данном случае это рекуперация энергии).
Естественно, выгода от рекуперации должна превышать расходы на дополнительные теплообменники и прочее оборудование. Например, газовые реакции проводятся обычно таким образом: через большую трубу, заполненную сетками с катализатором, прогоняют смесь газов. На входе в трубу - исходные вещества, на выходе - продукты. Потом продукты можно прогнать через теплообменник и нагреть исходные вещества, но для этого разница температур должна быть существенной. Для жидкостей, емнип, обычно нужно хотя бы 40 градусов, для газов - больше. Тут имеет большое значение, что именно за вещество, потому что если вы прогоняете так серную кислоту, например, то вам нужен теплообменник из довольно дорогих устойчивых к кислоте материалов, соответственно, экономия энергии должна быть большой.
В других процессах, например, когда реакция проходит в водном растворе, в аппарат подаются реагенты тоненькой струйкой, перемешиваются там, а в другом конце аппарата отбирается продукт. В этом случае теплообмен происходит в самом аппарате.

[Pphantom]

CaptainBlack - постоянный бан за хамство в ЛС.

[tehnolog]

madschumacher в сообщении #1402024 писал(а):

А это уже факт о катализаторах. По определению, они не меняют термохимии, они помогают быстрее достичь равновесия.

Это в случае обратимых химических реакций (на всякий случай - не путать понятие обратимости химической реакции и физико-химического термодинамического процесса) они помогают достичь состояния равновесия, ускоряя как прямую так и обратную реакции. А тут реакция необратимая - нет тут равновесия. Поэтому есть только прямая реакция, и катализатор увеличивает ее скорость. Поэтому неправильно отождествлять каталитические реакции с обратимыми. В общем случае катализатор уменьшает энергию активации как обратимых так и необратимых реакций.

[Emergency]

tehnolog в сообщении #1405312 писал(а):

madschumacher в сообщении #1402024 писал(а):

А это уже факт о катализаторах. По определению, они не меняют термохимии, они помогают быстрее достичь равновесия.

Это в случае обратимых химических реакций (на всякий случай - не путать понятие обратимости химической реакции и физико-химического термодинамического процесса) они помогают достичь состояния равновесия, ускоряя как прямую так и обратную реакции. А тут реакция необратимая - нет тут равновесия. Поэтому есть только прямая реакция, и катализатор увеличивает ее скорость. Поэтому неправильно отождествлять каталитические реакции с обратимыми. В общем случае катализатор уменьшает энергию активации как обратимых так и необратимых реакций.

В указанной реакции участвует множество молекул. 9 молекул слева как правило означает, что в реакции не менее 9 стадий и часть из них может быть обратимыми и являющимися замедленными - они и требуют участия катализатора и могут быть эндотермичными.

[rockclimber]

madschumacher в сообщении #1401927 писал(а):

Смотрите, реакция каталитическая, наверняка значит обратимая.

Кстати, не обратил внимания сразу... Реакции окисления чего-либо кислородом редко когда ( ) бывают обратимыми.

tehnolog в сообщении #1405312 писал(а):

А тут реакция необратимая - нет тут равновесия.

Это вопрос договоренности. Можно считать, что равновесие сильно смещено в сторону продуктов.

tehnolog в сообщении #1405312 писал(а):

Поэтому неправильно отождествлять каталитические реакции с обратимыми.

А никто и не отождествляет, насколько я могу видеть. Упоминание катализатора в обсуждении сабжа - да, пожалуй лишнее, но это единственное, что можно предъявить.

[tehnolog]

Emergency в сообщении #1405322 писал(а):

В указанной реакции участвует множество молекул. 9 молекул слева как правило означает, что в реакции не менее 9 стадий и часть из них может быть обратимыми и являющимися замедленными - они и требуют участия катализатора и могут быть эндотермичными.

И что из этого? Даже если есть тут обратимые стадии, то продукты этих стадий тот час же расходуются дальше, постоянно смещая равновесие обратимой стадии в сторону этих самих продуктов. И суммарная реакция оказывается необратимой. Не понимаю о чем спор? Суммарная реакция не подчиняется принципу смещения равновесия Ле-Шателье - это то, что я хочу сказать. А некоторые товарищи не рекомендуют излишних перегревов системы, мотивируя это смещением равновесия по принципу Ле-Шателье, что есть неграмотно. Хотя возможно, перегрев тут таки нежелателен в свете прохождения побочных реакций образования азота вместо окиси азота. Я не помню тонкостей. Есть справочник азотчика - там достаточно полное описание технологического процесса и режимов.

rockclimber в сообщении #1405325 писал(а):

Это вопрос договоренности. Можно считать, что равновесие сильно смещено в сторону продуктов.

Э-э-э нет. Термодинамически это разные реакции. Если вы помните, условие обратимости реакций: $TdS<0$ и $dH<0$ - для экзотермических;
$TdS>0$ и $dH>0$ - для эндотермических.
Все необратимые реакции - экзотермичны, и для них:
$TdS>0$ и $dH<0$
А на практике это проявляется в том, что меняя параметры такие как температура, давление, концентрации продуктов/реагентов вы можете влиять на состояние равновесия (для обратимых реакций) и соответственно смещать его в какую либо из сторон. Причем к состоянию равновесия можно подойти как со стороны исходных веществ, так и со стороны продуктов реакции (тогда уже продукты будут реагентами). В необратимых реакциях вы так не сможете. Например из окиси азота и воды (продуктов рассматриваемой реакции) меняя параметры вы не сможете получить даже мизерного количества аммиака и кислорода, потому что эта реакция запрещена термодинамически ($TdS<0$ и $dH>0$).
Вас вероятно сбило с толку школьное высказывание: "реакция проходит практически до конца, если выпадает осадок, образуется газ или малодиссоциированное соединение - да, тут устанавливается равновесие сильно смещенное в сторону продуктов, но все таки равновесие. И используется оговорка "практически".

[Emergency]

tehnolog в сообщении #1405500 писал(а):

И что из этого?

Всего лишь объяснение смысла добавления катализатора.

Насчет равновесия. Насколько я помню реакция кислорода с азотом без катализаторов протекает при температуре электрического разряда (порядка 5000 С) и является эндотермической. То есть принцип Ле Шателье - Брауна надо применять для каждой возможной в данных условиях стадии реакции отдельно.

[rascas]

Emergency в сообщении #1405616 писал(а):

реакция кислорода с азотом без катализаторов протекает при температуре электрического разряда (порядка 5000 С) и является эндотермической.

Ну и причем здесь реакция кислорода с азотом? Поясните пожалуйста? У нас ведь реакция кислорода и аммиака. Аммиак хорошо горит в кислороде при обычной температуре и давлении.

CaptainBlack в сообщении #1401919 писал(а):

реакция:
$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt} 4NO + 6H_2O + 907 kJ$