2014 dxdy logo

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки




Начать новую тему Ответить на тему На страницу 1, 2  След.
 
 Получение азотной кислоты
Сообщение27.06.2019, 21:27 


27/06/19

4
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?

 Профиль  
                  
 
 Re: Получение азотной кислоты
Сообщение27.06.2019, 21:48 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


28/04/16
1905
Внутри ускорителя
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.

 Профиль  
                  
 
 Re: Получение азотной кислоты
Сообщение27.06.2019, 22:01 


27/06/19

4
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.

 Профиль  
                  
 
 Posted automatically
Сообщение27.06.2019, 22:18 
Модератор


20/03/14
9723
 i  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.

 Профиль  
                  
 
 Posted automatically
Сообщение28.06.2019, 10:47 
Супермодератор
Аватара пользователя


09/05/12
18520
Кронштадт
 i  Тема перемещена из форума «Карантин» в форум «Химия»

 Профиль  
                  
 
 Re: Получение азотной кислоты
Сообщение28.06.2019, 11:38 


27/08/16
5647
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.

 Профиль  
                  
 
 Re: Получение азотной кислоты
Сообщение28.06.2019, 12:50 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


28/04/16
1905
Внутри ускорителя
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.

 Профиль  
                  
 
 Re: Получение азотной кислоты
Сообщение28.06.2019, 13:00 
Заслуженный участник


06/07/11
5570
кран.набрать.грамота
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.

 Профиль  
                  
 
 Re: Получение азотной кислоты
Сообщение28.06.2019, 16:28 
Супермодератор
Аватара пользователя


09/05/12
18520
Кронштадт
 !  CaptainBlack - постоянный бан за хамство в ЛС.

 Профиль  
                  
 
 Re: Получение азотной кислоты
Сообщение16.07.2019, 12:30 
Аватара пользователя


11/07/19
25
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.

 Профиль  
                  
 
 Re: Получение азотной кислоты
Сообщение16.07.2019, 14:07 


07/03/16
390
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.

 Профиль  
                  
 
 Re: Получение азотной кислоты
Сообщение16.07.2019, 15:11 
Заслуженный участник


06/07/11
5570
кран.набрать.грамота
madschumacher в сообщении #1401927 писал(а):
Смотрите, реакция каталитическая, наверняка значит обратимая.
Кстати, не обратил внимания сразу... Реакции окисления чего-либо кислородом редко когда ( :wink: ) 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.

 Профиль  
                  
 
 Re: Получение азотной кислоты
Сообщение17.07.2019, 18:10 
Аватара пользователя


11/07/19
25
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".

 Профиль  
                  
 
 Re: Получение азотной кислоты
Сообщение18.07.2019, 09:49 


07/03/16
390
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.

 Профиль  
                  
 
 Re: Получение азотной кислоты
Сообщение18.07.2019, 11:06 


30/01/18
224
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:
$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt} 4NO + 6H_2O + 907 kJ$

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 28 ]  На страницу 1, 2  След.

Модераторы: photon, Toucan, Супермодераторы



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group