Конспект урока: Химическая технология. Производство аммиака и метанола

Химическая технология

Химические технологии можно классифицировать по типам веществ, с которыми ведётся работа: органическими и неорганическими. 

Химическая технология неорганических веществ — это, например, производство кислот, соды, щелочей, силикатов, минеральных удобрений и солей. Все эти продукты широко используются в разных отраслях промышленности, в частности металлургии, а также в сельском хозяйстве.

В фармацевтике и машиностроении часто используют каучуки, спирт, пластмассы, различные красители. Их производством занимаются предприятия, использующие технологии получения органических веществ. 

Аммиак в промышленности

Азотное производство играет важнейшую роль в современной химической промышленности. Стоит заметить, что соединения азота применяются как при получении органических, так и неорганических веществ. Особую статью в азотной промышленности составляет производство аммиака. Именно при «участии» этого ценнейшего компонента производятся удобрения, азотная кислота, взрывчатые вещества, хладагенты и многое другое. 

Физические свойства аммиака

При всей своей полезности аммиак является довольно сильным ядом, несмотря на то что применяется в медицине в виде нашатыря.

Аммиак — ядовитое соединение. Аммиачные пары раздражают слизистую оболочку глаза и кожные покровы. В результате происходит обильное выделение слёз и боль в области лица. Появляется ожог роговицы глаза. Зрение человека ухудшается или происходит полная его потеря. Следом наступает приступ кашля, изменение цвета кожного покрова с сильным раздражением.

При попадании в область дыхательных путей способен токсинами поразить лёгкие и вызвать отёк с поражением разных систем живого организма.

Молекулярная формула аммиака ${\mathrm{NH}}_3.$ Он имеет резкий запах (нашатырного спирта), легче воздуха, хорошо растворим в воде. 

Химические свойства аммиака

В химическом отношении аммиак довольно активен: он вступает в реакции взаимодействия со многими веществами. Степень окисления азота в аммиаке 
«−3» — минимальная, поэтому аммиак проявляет только восстановительные свойства. При нагревании аммиака с галогенами, оксидами тяжёлых металлов и кислородом образуется азот.

Решение

1. Запишем реакцию между аммиаком и хлором: 

${\mathrm{N}}^{-3}{{\mathrm{H}}_3}^{+} + {{\mathrm{Cl}}_2}^0 \to {\mathrm{H}}^{+}{\mathrm{Cl}}^{-} + {{\mathrm{N}}_2}^0$.

2. Запишем окислительно-восстановительный процесс этой реакции:

${\mathrm{N}}^{+3} – 2\times 3\mathrm{ē} \to {{\mathrm{N}}_2}^0$           6           1           восстановитель,

                                                           6

${{\mathrm{Cl}}_2}^0 + 2\times 1\mathrm{ē} \to 2{\mathrm{Cl}}^{-}$     2           3            окислитель.

3. Расставим коэффициенты: $2{\mathrm{NH}}_3 + 3{\mathrm{Cl}}_2 \to 6\mathrm{HCl} + {\mathrm{N}}_2$.

Аналогично будет идти реакция с оксидами металлов: 

$2{\mathrm{NH}}_3+3\mathrm{CuO} =3\mathrm{Cu} + {\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

А также с кислородом (реакция горения) без участия катализатора: 

$4{\mathrm{NH}}_3 + 3{\mathrm{O}}_2 \to 2{\mathrm{N}}_2 + 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{О}$.

Если же в реакции с кислородом участвует катализатор (Pt), то вместо аммиака будет выделяться другой газ — оксид азота (II): 

$4{\mathrm{NH}}_3 + 5{\mathrm{O}}_2 \to 4\mathrm{NO} +6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Аммиак не проявляет кислотные свойства. Однако атомы водорода в его молекуле всё же способны замещаться на атомы металлов. При полном замещении водорода металлом происходит образование соединений, называемых нитридами, которые также можно получить и при непосредственном взаимодействии азота с металлом при высокой температуре. 

Производство аммиака

Процесс производства аммиака характеризуется большой энергоёмкостью, что является главным его недостатком. Именно поэтому постоянно ведутся научные разработки, которые призваны решить проблемы экономии энергии. В настоящее время разрабатываются способы утилизации выделенной энергии, а также совмещение, например производства аммиака и карбамида. Всё это способствует удешевлению деятельности предприятий и повышению их полезной отдачи.

В основу производства аммиака положены принцип циркуляции, согласно которому процесс идёт непрерывно, причём остатки исходных компонентов отделяются от конечного продукта и используются вновь, непрерывно: процесс синтеза происходит без остановки, принцип теплообмена, а также принцип цикличности. Как видно, все эти принципы между собой тесно взаимосвязаны.

Синтез аммиака строится из взаимодействия простых веществ — водорода и азота. 

Решение

1. Запишем реакцию между водородом и азотом: 

${{\mathrm{H}}_2}^0 + {{\mathrm{N}}_2}^0 \to {\mathrm{N}}^{-3}{{\mathrm{H}}_3}^{+}$.

2. Запишем окислительно-восстановительный процесс этой реакции:

${{\mathrm{H}}_2}^0 - 2\times 1\mathrm{ē} \to 2{\mathrm{H}}^{+}$      2             3          восстановитель,

                                                          6

${{\mathrm{N}}_2}^0 + 2\times 3\mathrm{ē} \to 2{\mathrm{N}}^{-3}$    6             1            окислитель.

3. Расставим коэффициенты: $3{\mathrm{H}}_2 + {\mathrm{N}}_2 \to 2{\mathrm{NH}}_3$.

Применение аммиака

Производство аммиака — один из важнейших технологических процессов во всем мире. Ежегодно в мире производят около 100 млн т аммиака. Выпуск аммиака осуществляют в жидком виде или в виде 25%-го водного раствора — аммиачной воды. 

Основные направления использования аммиака: производство азотной кислоты (производство азотсодержащих минеральных удобрений в последствии), солей аммония, мочевины, уротропина, синтетических волокон (нейлона и капрона). Аммиак применяют в качестве хладагента в промышленных холодильных установках, в качестве отбеливателя при очистке и крашении хлопка, шерсти и шёлка.

Физические свойства метанола

Метанол — это химическое вещество, которое называется древесным или метиловым спиртом. Его получение не является сложным процессом, поскольку он относится к одноатомным продуктам. Использование данного спирта в алкогольных напитках может привести к пищевому отравлению. Метанол также может образовывать взрывоопасные смеси при температуре 8 градусов по Цельсию.

Метиловый спирт $\left({\mathrm{СН}}_3\mathrm{ОН}\right)$ является простейшим одноатомным спиртом, является первым представителем гомологического ряда. Данный спирт представляет собой жидкость, смешивающуюся с водой в любых пропорциях. 

Химические свойства метанола

Метанол — неэлектролит, соответственно, в водном растворе не диссоциирует на ионы. Также данное соединение не проявляет кислотные свойства, у него они выражены даже слабее, чем у воды.

Взаимодействие с активными металлами

Метанол не взаимодействует с растворами щелочей, так как образующиеся алкоголяты почти полностью гидролизуются водой. Зато соединение вступает в реакцию с активными металлами. При этом образуются алкоголяты. При взаимодействии с металлами спирты ведут себя, как кислоты.

Решение

1. Запишем реакцию между метиловым спиртом и натрием: 

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{O}}^{-}{\mathrm{H}}^{+} + {\mathrm{Na}}^0 = {\mathrm{CH}}_3\mathrm{ONa} +{{\mathrm{H}}_2}^0$.

2. Запишем окислительно-восстановительный процесс этой реакции:

$2{\mathrm{H}}^{+}+ 2\times 1\mathrm{ē} \to {{\mathrm{Н}}_2}^0$       2            1          окислитель,

                                                         2

${\mathrm{Na}}^0 - 1\mathrm{ē} \to {\mathrm{Na}}^{-}$        1            2          восстановитель.

3. Расставим коэффициенты: $2{\mathrm{CH}}_3\mathrm{OH} + 2\mathrm{Na} = 2{\mathrm{CH}}_3\mathrm{ONa} +{\mathrm{H}}_2$.

Метилаты под действием воды полностью гидролизуются с выделением спирта и гидроксида металла. Так, например, метилат калия разлагается водой:

${\mathrm{CH}}_3\mathrm{OK} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to {\mathrm{CH}}_3-\mathrm{OH} + \mathrm{KOH}$.

Взаимодействие с карбоновыми кислотами

Взаимодействие между метиловым спиртом и уксусной кислотой приводит к образованию метилацетата. Для отщепления молекул воды необходимо использование серной кислоты:

${\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}+{\mathrm{CH}}_3\mathrm{OH} \to {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOCH}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Производство метанола

Химическая промышленность использует метиловый спирт в качестве источника для получения химических веществ, в частности синтетических пластмасс. Поэтому получение метилового спирта очень востребованный процесс в промышленности. 

Среди способов получения метилового спирта можно выделить следующие:

• сухая перегонка древесины;
• каталитическое гидрирование оксида и диоксида углерода, который носит название «синтез-газ»;
• каталити­ческое (неполное) окисление метана.

Промышленное получение метанола из «синтез-газа» — это каталитический синтез спирта из монооксида углерода и водорода при 300–400 °С и давления 500 атм в присутствии смеси оксидов цинка и хрома:

$\mathrm{СО} + 2{\mathrm{Н}}_2 \rightleftharpoons {\mathrm{СН}}_3\mathrm{ОН}$.

Ответы

Упражнение 1

$2{\mathrm{СН}}_4+{\mathrm{О}}_2 \to 2\mathrm{СО} + 4{\mathrm{Н}}_2 \mathrm{или} {\mathrm{СН}}_4 + {\mathrm{Н}}_2\mathrm{O} \to \mathrm{СО} + 3{\mathrm{Н}}_2$