Условие задачи
Осуществите превращения:
N2 → NH3 → NO → NO2 → HNO3 → Cu(NO3)2 → NaNO3 → HNO3.
Укажите условия протекания реакций.
Решение
Ниже приведён подробный расчёт превращений с указанием реакций и условий протекания. Задача относится к области неорганической промышленной химии (химия превращений, технологии производства удобрений и кислот), где используются классические процессы – процесс Габера (синтез аммиака) и процесс Оствальда (окисление аммиака с дальнейшим получением азотной кислоты), а также реакции металлов с концентрированными кислотами и последующие стадий переработки солей.
Ниже приводится этап за этапом последовательность превращений:
──────────────────────────────
1. Превращение N₂ → NH₃
──────────────────────────────
Реакция синтеза аммиака по методу Габера-Боша:
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃
Условия:
• Высокое давление (примерно 150–250 атм);
• Температура около 400–500 °C;
• Катализатор: ферросодержащий (железный) катализатор с добавками (оксиды калия и алюминия).
──────────────────────────────
2. Превращение NH₃ → NO
──────────────────────────────
Первые стадии окисления аммиака (процесс Оствальда). Основная реакция:
4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O
Условия:
• Температура около 800–950 °C (обычно 900 °C);
• Катализатор: платиново-родиевый (Pt–Rh) проводящий сетчатую реакцию;
• Атмосферное давление.
──────────────────────────────
3. Превращение NO → NO₂
──────────────────────────────
Окисление оксида азота до диоксида азота:
2NO + O₂ → 2NO₂
Условия:
• Реакция идёт в газовой фазе при умеренной температуре;
• Окисление происходит при наличии избытка кислорода; реакция экзотермическая.
──────────────────────────────
4. Превращение NO₂ → HNO₃
──────────────────────────────
Образование азотной кислоты при абсорбции оксидов азота в воде. Возможны два варианта основных реакций:
Вариант 1:
2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂
Вариант 2 (общая реакция при последовательном окислении):
3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO
Условия:
• Процесс проводится в абсорбционных башнях при почти комнатной температуре;
• Наличие катализаторов не требуется, но возможно ускорение за счёт высокого содержания растворённого кислорода;
• Эффективное разделение кислот с последующим выделением азотной кислоты.
──────────────────────────────
5. Превращение HNO₃ → Cu(NO₃)₂
──────────────────────────────
Реакция меди с азотной кислотой:
Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
Условия:
• Использование концентрированной азотной кислоты (обычно не менее 68–70 %);
• Реакция протекает при контролируемой температуре (при комнатной или умеренно повышенной температуре);
• Выделяется бурый газ диоксида азота и теплота реакции. (Важно: металл меди не реагирует с разбавленной азотной кислотой из-за формирования пассивирующей пленки.)
──────────────────────────────
6. Превращение Cu(NO₃)₂ → NaNO₃
──────────────────────────────
Для получения нитрата натрия из медного нитрата проводят реакцию обмена (метатеза). Возможны два варианта:
Вариант А. Реакция с хлоридом натрия:
Cu(NO₃)₂ + 2NaCl → CuCl₂↓ + 2NaNO₃
Вариант Б. Реакция с гидроксидом натрия:
Cu(NO₃)₂ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + 2NaNO₃
При дальнейшем нагревании осадок медного гидроксида может превращаться в оксид меди (CuO).
Условия:
• Осуществляют в водном растворе;
• Реакция проводится при комнатной температуре с последующим отделением осадка с помощью фильтрации;
• Выбор способа зависит от технологической схемы переработки.
──────────────────────────────
7. Превращение NaNO₃ → HNO₃
──────────────────────────────
Восстановление азотной кислоты из нитрата натрия достигается методом реакции с концентрированной серной кислотой (реакция с разложением соли по методу подготовки азотной кислоты из селитры).
Реакция:
NaNO₃ + H₂SO₄ → HNO₃ + NaHSO₄
(При избытке серной кислоты и соответствующих условиях можно получить также ди- или моносодовую сульфатную соль натрия в зависимости от технологического процесса.)
Условия:
• Реакция проводится при нагревании;
• Используют концентрированную серную кислоту;
• При высокой температуре обеспечивается отработка азотной кислоты в виде паров, которые далее конденсируются.
──────────────────────────────
Вывод
Таким образом, исходный газ N₂ посредством синтеза аммиака по методу Габера, его окисления до NO (и последующего окисления до NO₂) в условиях процесса Оствальда, абсорбции оксидов азота в воде с образованием HNO₃, а затем реакций меди с азотной кислотой, обменной реакцией с натрией (с использованием либо NaCl, либо NaOH) и реакцией нитрата натрия с концентрированной серной кислотой, приводит к восстановлению азотной кислоты. Указанные реакции являются классическими для производства азотных удобрений и азотной кислоты, а приведённые условия соответствуют промышленным технологиям данных процессов.
Это подробное решение с учётом условий протекания реакций согласно правилам неорганической промышленной химии.