Trước đây, trong thời kỳ Chiến tranh Thế giới thứ I, NH3 lỏng từng được thiết kế sử dụng làm thuốc phóng tên lửa. Hiện nay, NH3 được sử dụng nhiều nhất trong sản xuất phân bón và một số hóa chất cơ bản. Trong đó lượng sử dụng cho sản xuất phân bón (cả dạng rắn và lỏng) chiếm đến trên 80% sản lượng NH3 toàn thế giới và tương đương với khoảng 1% tổng công suất phát năng lượng của thế giới. Bên cạnh đó NH3 vẫn được sử dụng trong công nghiệp đông lạnh (sản xuất nước đá, bảo quản thực phẩm,…), trong các phòng thí nghiệm, trong tổng hợp hữu cơ, hóa dược, y tế và cho các mục đích dân dụng khác. Ngoài ra trong công nghệ môi trường, NH3 còn được dùng để loại bỏ khí SO2 trong khí thải của các nhà máy có quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch (than, dầu) và sản phẩm amoni sunfat thu hồi của các quá trình này có thể được sử dụng làm phân bón.
Vì những lí do trên mà trong công nghiệp, có những mối quan tâm nhất định đến quy trình tổng hợp NH3 sao cho đạt hiệu suất cao nhất và hạn chế chi phí một cách tối đa. Vấn đề này có liên quan đến tính hiệu quả và kinh tế của phương pháp Haber tổng hợp amoniac, được biểu diễn bằng phương trình:
N2 (k) + 3H2 (k) ⇄ 2NH3 (k) ; ΔH = -92 kJ.mol-1
Trước đây, trong thời kỳ Chiến tranh Thế giới thứ I, NH3 lỏng từng được thiết kế sử dụng làm thuốc phóng tên lửa. Hiện nay, NH3 được sử dụng nhiều nhất trong sản xuất phân bón và một số hóa chất cơ bản. Trong đó lượng sử dụng cho sản xuất phân bón (cả dạng rắn và lỏng) chiếm đến trên 80% sản lượng NH3 toàn thế giới và tương đương với khoảng 1% tổng công suất phát năng lượng của thế giới. Bên cạnh đó NH3 vẫn được sử dụng trong công nghiệp đông lạnh (sản xuất nước đá, bảo quản thực phẩm,…), trong các phòng thí nghiệm, trong tổng hợp hữu cơ, hóa dược, y tế và cho các mục đích dân dụng khác. Ngoài ra trong công nghệ môi trường, NH3 còn được dùng để loại bỏ khí SO2 trong khí thải của các nhà máy có quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch (than, dầu) và sản phẩm amoni sunfat thu hồi của các quá trình này có thể được sử dụng làm phân bón.
Vì những lí do trên mà trong công nghiệp, có những mối quan tâm nhất định đến quy trình tổng hợp NH3 sao cho đạt hiệu suất cao nhất và hạn chế chi phí một cách tối đa. Vấn đề này có liên quan đến tính hiệu quả và kinh tế của phương pháp Haber tổng hợp amoniac, được biểu diễn bằng phương trình:
N2 (k) + 3H2 (k) ⇄ 2NH3 (k) ; ΔH = -92 kJ.mol-1
Trong công nghiệp thường sử dụng hai biện pháp để làm tăng hiệu suất của phản ứng tổng hợp amoniac là
-
A.
giảm nhiệt độ và giảm áp suất.
-
B.
tăng nhiệt độ và tăng áp suất.
-
C.
giảm nhiệt độ và tăng áp suất.
-
D.
tăng nhiệt độ và giảm áp suất.
Đáp án: C
Áp dụng nguyên lý chuyển dịch cân bằng Lơ Sa-tơ-li-ê: “Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu tác động từ bên ngoài như biến đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ, thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó.’’
Những cân bằng có tổng số mol khí hai vế bằng nhau hoặc không có chất khí thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng.
- Cân bằng có tổng số mol khí ở vế trái bằng 4 mol và vế phải bằng 2 mol. Khi tăng áp suất chung của hệ sẽ làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận ⟹ Làm tăng hiệu suất phản ứng.
- Phản ứng thuận là phản ứng tỏa nhiệt (ΔH < 0) ⟹ Khi giảm nhiệt độ của hệ sẽ làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận ⟹ Làm tăng hiệu suất phản ứng.
Vậy trong công nghiệp thường sử dụng hai biện pháp để làm tăng hiệu suất của phản ứng tổng hợp amoniac là giảm nhiệt độ và tăng áp suất.
Thực hiện phản ứng tổng hợp amoniac trong bình kín ở nhiệt độ xác định. Khi giảm nồng độ N2 đi 2 lần và tăng nồng độ của H2 lên 2 lần thì tốc độc của phản ứng thuận thay đổi như thế nào so với lúc chưa thay đổi nồng độ?
-
A.
Tốc độ của phản ứng tăng 4 lần.
-
B.
Tốc độ của phản ứng giảm 4 lần.
-
C.
Tốc độ của phản ứng giảm 2 lần.
-
D.
Tốc độ của phản ứng không thay đổi.
Đáp án: A
Tốc độ phản ứng thuận tính theo nồng độ của các chất tham gia phản ứng là v = k.[N2].[H2]3
Khi giảm nồng độ N2 đi 2 lần và tăng nồng độ của H2 lên 2 lần thì tốc độ phản ứng thuận khi đó:
v' = k.0,5[N2].23[H2]3 = 4.k.[N2].[H2]3 = 4v.
⟹ Tốc độ phản ứng thuận tăng 4 lần khi giảm nồng độ N2 đi 2 lần và tăng nồng độ của H2 lên 2 lần.
Nung hỗn hợp khí A gồm 0,1 mol N2; 0,45 mol H2 trong điều kiện thích hợp thu được hỗn hợp B có dA/B = 10/11. Hiệu suất phản ứng là
-
A.
10%.
-
B.
15%.
-
C.
20%.
-
D.
25%.
Đáp án: D
- Dựa vào số mol N2 và H2 xác định hiệu suất phản ứng tính theo chất nào.
- Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng: mA = mB suy ra tỉ lệ \(\dfrac{{\overline {{M_A}} }}{{\overline {{M_B}} }} = \dfrac{{{n_B}}}{{{n_A}}}\), từ đó tính được số mol hỗn hợp B.
- Xét tỉ lệ số mol:
\(\dfrac{{{n_{{N_2}}}}}{1} = \dfrac{{0,1}}{1} < \dfrac{{{n_{{H_2}}}}}{3} = \dfrac{{0,45}}{3}\)
⟹ Tính hiệu suất phản ứng theo N2.
- BTKL: mA = mB ⟹ \({n_A}.\overline {{M_A}} = {n_B}.\overline {{M_B}} \)
⟹ \(\dfrac{{\overline {{M_A}} }}{{\overline {{M_B}} }} = \dfrac{{{n_B}}}{{{n_A}}} \Rightarrow \dfrac{{10}}{{11}} = \dfrac{{{n_B}}}{{0,1 + 0,45}} \Rightarrow {n_B} = 0,5(mol)\)
- Gọi số mol N2 phản ứng là x (mol).
PTHH: N2 + 3H2 ⇄ 2NH3.
x ⟶ 3x → 2x (mol)
⟹ Hỗn hợp B gồm N2 dư: 0,1 – x mol; H2 dư: 0,45 – 3x mol; NH3: 2x mol
⟹ nB = 0,1 – x + 0,45 – 3x + 2x = 0,55 – 2x = 0,5 ⟹ x = 0,025 mol.
Vậy \(H = \dfrac{{{n_{{N_2}(pu)}}.100\% }}{{{n_{{N_2}(bd)}}}} = \dfrac{{0,025.100\% }}{{0,1}} = 25\% \)
Các bài tập cùng chuyên đề
Tính bazơ của NH3 là do
Tính chất hóa học của NH3 là
Cho quỳ tím vào dung dịch NH3 1M, quỳ tím chuyển sang màu gì ?
NH3 thể hiện tính bazơ trong phản ứng
Khí NH3 có lẫn hơi nước. Hóa chất dùng để làm khô khí NH3 là
Cặp muối nào tác dụng với dung dịch NH3 dư đều thu được kết tủa ?
Cho phản ứng tổng hợp NH3 trong công nghiệp: N2 + 3H2 $\overset{{{t}^{0}},xt}{\leftrightarrows}$ 2NH3 ∆H = – 92 KJ
Hiệu suất của phản ứng giữa N2 và H2 tạo thành NH3 tăng nếu
Cho dung dịch NH3 dư vào dung dịch chứa FeCl3, CuCl2, AlCl3, ZnSO4, MgCl2 thu được kết tủa Y. Thành phần của Y gồm
Nhận biết dung dịch AlCl3 và ZnCl2 người ta dùng hóa chất nào sau đây ?
Trong phòng thí nghiệm, khí NH3 được điều chế bằng cách
Phản ứng của NH3 với Cl2 tạo ra “khói trắng” . Chất này có công thức phân tử là :
Cho phương trình hoá học của phản ứng tổng hợp amoniac:
N2 (k) + 3H2 (k) $\overset{{{t}^{0}},xt}{\leftrightarrows}$ 2NH3 (k)
Khi tăng nồng độ của hiđro lên 2 lần, tốc độ phản ứng thuận
Điều chế NH3 từ hỗn hợp gồm N2 và H2 (tỉ lệ 1 : 3). Tỉ khối hỗn hợp trước so với hỗn hợp sau phản ứng là 0,6. Hiệu suất phản ứng là
Trong một bình kín chứa 10 lít nitơ và 10 lít hiđro ở nhiệt độ 0oC và 10 atm. Sau phản ứng tổng hợp NH3, lại đưa bình về 0oC. Biết rằng có 60% hiđro tham gia phản ứng, áp suất trong bình sau phản ứng là :
Hỗn hợp X gồm N2 và H2 có ${{\overline{M}}_{X}}=12,4.$ Dẫn X đi qua bình đựng bột Fe rồi nung nóng biết rằng hiệu suất tổng hợp NH3 đạt 40% thì thu được hỗn hợp Y. ${{\overline{M}}_{Y}}$ có giá trị là
Cho hỗn hợp gồm N2, H2 và NH3 có tỉ khối so với hiđro là 8. Dẫn hỗn hợp đi qua H2SO4 đặc, dư thì thể tích khí còn lại một nửa. Thành phần phần trăm (%) theo thể tích của mỗi khí trong hỗn hợp lần lượt là :
Sau quá trình tổng hợp NH3 từ H2 và N2 $({{n}_{{{H}_{2}}}}:{{n}_{{{N}_{2}}}}=3:1)$, áp suất trong bình giảm đi 10% so với áp suất lúc đầu. Biết nhiệt độ của phản ứng giữ không đổi trước và sau phản ứng. Phần trăm theo thể tích của N2, H2, NH3 trong hỗn hợp khí thu được sau phản ứng lần lượt là :
Hỗn hợp khí X gồm N2 và H2 có tỉ khối so với He bằng 1,8. Đun nóng X một thời gian trong bình kín (bột Fe làm xúc tác), thu được hỗn hợp khí Y có tỉ khối so với He bằng 2. Hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH3 là
Một bình kín có thể tích là 0,5 lít chứa 0,5 mol H2 và 0,5 mol N2, ở nhiệt độ (toC). Khi ở trạng thái cân bằng có 0,2 mol NH3 tạo thành. Hằng số cân bằng KC của phản ứng tổng hợp NH3 là :
Dẫn 2,24 lít NH3 (đktc) đi qua ống đựng 32 gam CuO nung nóng thu được chất rắn A và khí B. Ngâm chất rắn A trong dung dịch HCl 2M dư. Tính thể tích dung dịch axit đã tham gia phản ứng ? Coi hiệu suất quá trình phản ứng là 100%.
