Условие задачи

Сульфат аммония наряду с аммиачной селитрой является важным азотным удобрением. Предложите метод его получения из азота.

Решение

Ниже приведён один из классических путей получения сульфата аммония (NH₄)₂SO₄, начиная с атмосферного азота (N₂). Этот метод объединяет стадии синтеза аммиака (процесс Хабера), его последующего окисления (процесс Оствальда) и реакцию селитры с серной кислотой. Рассмотрим подробно каждый этап.

1. Этап синтеза аммиака (процесс Хабера)
Атмосферный азот взаимодействует с водородом (источник водорода может быть, например, природный газ или вода при паровом риформинге) при высоком давлении и температуре в присутствии железного катализатора:
N₂ + 3H₂ → 2NH₃

2. Получение азотной кислоты (процесс Оствальда)
Аммиак окисляют до оксидов азота, которые затем растворяют в воде с образованием азотной кислоты. Сначала аммиак окисляют до монооксида азота:
4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O
Далее NO окисляют до диоксида азота (NO₂), который при растворении в воде даёт азотную кислоту:
3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO
(При современных процессах проводят последовательное окисление для получения чистой азотной кислоты.)

3. Получение селитры
Полученную азотную кислоту нейтрализуют аммиаком с образованием аммиачной селитры (NH₄NO₃), которая сама по себе является важным удобрением:
NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

4. Превращение селитры в сульфат аммония
Чтобы получить сульфат аммония, селитру обрабатывают серной кислотой. При этом протекает реакция:
NH₄NO₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄ + HNO₃
Заметим, что образующаяся азотная кислота возвращается в цикл для реакции с аммиаком, так что процесс становится экономически выгодным и замкнутым.

Таким образом, весь технологический цикл можно описать так:
N₂ → (Haber) → NH₃ → (Оствальд) → HNO₃ → (нейтрализация с NH₃) → NH₄NO₃ → (реакция с H₂SO₄) → (NH₄)₂SO₄

Основные моменты метода:
• Начинаем с азота, преобразуя его в аммиак по процессу Хабера.
• Аммиак окисляем по процессу Оствальда с получением азотной кислоты.
• Нейтрализуем азотную кислоту аммиаком, получая аммиачную селитру.
• Реагируем аммиачную селитру с серной кислотой, что даёт сульфат аммония и азотную кислоту для возврата в цикл.

Таким образом, сульфат аммония получают непосредственно из азота (а также водорода и серы, использованных для подготовки H₂SO₄) через последовательность известных промышленно применяемых процессов.