Загальна інформація
Застосування
Схема досліду
У цьому досліді учні знайомляться з процесом Габера - Боша, синтезом аміаку з елементів азоту й водню. Процес Габера - Боша й сьогодні лишається найважливішим (промисловим) способом добування аміаку.
У цьому досліді учні повторюють свої знання про хімічні реакції. Навіть елементи, які реагують у хімічній реакції з вивільненням енергії (екзотермічна реакція), потребують енергії активації або каталізатора, щоб реакція почалася. Тому суміш азоту й водню є (за кімнатної температури) метастабільною системою.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні та студенти мають бути вже теоретично обізнані з добуванням аміаку з елементів і процесом Габера - Боша.
Принцип
Перетворення азоту й водню на аміак - це реакція, що відбувається екзотермічно (до того ж зі зменшенням об'єму). Тому утворенню аміаку сприяють зниження температури і підвищення тиску.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Учні та студенти знайомляться в цьому досліді з процесом Габера - Боша.
Завдання
Учні та студенти досліджують добування аміаку з елементів азоту й водню. Для цього азот і водень зі сталевих балонів подають у кварцову трубку (газова суміш у кварцовій трубці: приблизно втричі більше водню, ніж азоту. Контроль при цьому здійснюють за лічбою бульбашок у двох пробірках, крізь які газ надходить у кварцову трубку).
Правила безпеки
- Носити рукавички й захисні окуляри!
- При неналежному виконанні досліду існує небезпека вибуху (утворення вибухонебезпечних сумішей кисню з воднем).
- Тому неодмінно потрібне ретельне промивання апаратури перед дослідом азотом і воднем (проба на гримучий газ), а також після досліду (фаза охолодження) азотом.
- Щодо H- і P-фраз, будь ласка, зважайте на відповідні паспорти безпеки.
- Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Процес Габера - Боша був першою великопромисловою можливістю добувати сполуки азоту з атмосферного азоту. Оскільки перетворення азоту й водню на аміак - це реакція, що відбувається екзотермічно (до того ж зі зменшенням об'єму), утворенню аміаку сприяють зниження температури і підвищення тиску.
Проте за кімнатної температури швидкість реакції була б украй малою (через дуже стійкий потрійний зв'язок молекули азоту). До того ж потрібні каталізатори діють лише за вищих температур (приблизно 400 - 500°C). Якби працювали за цих температур (400 - 500°C) і за нормального тиску, то вихід аміаку становив би близько 0,1 об. %. Промислові процеси завдяки підвищенню тиску досягають виходу близько 11%.
У цьому досліді використано «спрощений» процес Габера - Боша. Як і в промисловому процесі Габера - Боша, у цьому досліді використовують газову суміш водню й азоту (у співвідношенні 3:1), яку приводять до реакції на каталізаторі з платини й алюміній оксиду за температур понад 400 °C.
Обладнання
Складання та виконання
Складання
Обидві пробірки з оливою та промивну склянку наповнюють приблизно на третину дистильованою водою, до якої додано кілька крапель розчину фенолфталеїну. Смужку кульок каталізатора завдовжки приблизно 2 -3 см (кульки паладій - алюміній оксид) засувають у середину кварцової трубки для спалювання і фіксують, тобто закривають, двома жмутками кварцової скловати.
До обох пробірок з оливою, які з'єднані з трубкою для спалювання через триходовий кран, під'єднують гумовим шлангом сталеві балони (Увага: використовувати редуктор) з воднем і азотом відповідно. Потім триходовий кран ставлять так, щоб крізь апаратуру проходив азот, аби витіснити з апаратури більшу частину повітря.
Схема досліду
Виконання
- Після того як апаратуру зібрано, а більшу частину повітря в апаратурі витіснено потоком азоту, потік азоту зменшують і додатково пропускають крізь апаратуру приблизно втричі більшу кількість водню (оцінюють за бульбашками в пробірках).
- Газову суміш, яка на другому кінці кварцової трубки надходить у промивну склянку, досліджують пробою на гримучий газ. Лише після того, як проба на гримучий газ дасть негативний результат, кульки каталізатора в реакційній трубці нагрівають газовим пальником (за негативною пробою на гримучий газ можна виключити, що в апаратурі ще лишається залишковий кисень).
- Щойно в промивній склянці (яка приєднана до кварцової трубки) з'явиться зміна кольору, дослід завершують. Для цього гасять газовий пальник і перекривають подачу водню. Азот пропускають далі, доки реакційна трубка не охолоне.
Опрацювання результатів
Опрацювання результатів (1/5)
Спостереження
Приблизно через 5 хвилин після початку досліду в промивній склянці на кінці апаратури стає видимою зміна кольору.
У пробірках, крізь які азот і водень надходять в апаратуру, забарвлення не з'являється, тоді як розчин фенолфталеїну в промивній склянці забарвлюється в рожевий.
Це забарвлення зумовлене тим, що в реакційній трубці азот реагує з воднем з утворенням аміаку (газуватого), який розчиняється у воді промивної склянки (розчин аміаку). Фенолфталеїн як індикатор на утворення лужного розчину (розчину аміаку)
Опрацювання результатів (2/5)
Опрацювання результатів
Газуватий аміак потім розчиняється у воді й утворює розчин аміаку. Утворення цього водного лужного розчину виявляють за допомогою індикатора фенолфталеїну Процес Габера - Боша був першою великопромисловою можливістю добувати сполуки азоту з атмосферного азоту. Наведена тут установка сильно спрощено показує принцип процесу Габера - Боша, бо оптимальні умови процесу (температури близько 400 - 500 °C і тиск близько 200 бар) шкільними засобами реалізувати вкрай важко.
У реакційній трубці азот і водень реагують з утворенням аміаку (газуватого):
Опрацювання результатів (3/5)
Питання
Опрацювання результатів (4/5)
Перетягни слова у правильні поля! Оскільки перетворення азоту й водню на ____ - це реакція, що відбувається ____ (до того ж зі зменшенням об'єму), утворенню аміаку сприяють зниження ____ і підвищення ____. Проте за кімнатної температури швидкість реакції була б украй малою. До того ж потрібні каталізатори діють лише за вищих температур (приблизно 400 - 500°C). Якби працювали за цих температур (400 - 500°C) і за нормального тиску, то вихід аміаку становив би близько 0,1 об. %.
Опрацювання результатів (5/5)
Питання