Химическая промышленность. Производство важнейших веществ

Цели урока

• Описывать стадии производства серной кислоты и аммиака.
• Понимать назначение ректификационной колонны, различать крекинг и риформинг.
• Знать состав природного и попутного нефтяного газа, их использование.
• Характеризовать металлургические процессы (доменная печь, электрометаллургия).
• Объяснять принципы силикатной промышленности (производство стекла, цемента, керамики).

Зачем это нужно на ЕГЭ

Задание №25 ЕГЭ по химии включает вопросы о химическом производстве и промышленных способах получения веществ. Вам могут встретиться:

• схемы производства серной кислоты (контактный метод), аммиака (процесс Габера-Боша), метанола;
• вопросы о переработке нефти: атмосферная и вакуумная перегонка, каталитический крекинг, риформинг;
• использование природного и попутного нефтяного газов;
• металлургические процессы (доменный процесс, получение стали, алюминия);
• производство стекла, цемента, керамики.

Понимание этих процессов развивает химическое мышление и помогает отвечать на вопросы о применении химии в экономике и экологии.

Теория

1. Общие научные принципы химического производства

Любое крупнотоннажное производство строится на следующих принципах:

1. Принцип непрерывности — процесс идёт без остановок для повышения производительности.
2. Принцип наиболее благоприятных условий — подбор температуры, давления, катализатора для максимизации выхода продукта (с учётом равновесия и скорости).
3. Противоток — движение реагентов навстречу друг другу для более полного контакта и использования тепла.
4. Теплообмен и утилизация энергии — использование тепла экзотермических стадий для нагрева реагентов.
5. Автоматизация и контроль — поддержание оптимальных параметров (pH, температура, давление).
6. Комплексное использование сырья и охрана окружающей среды — переработка отходов, очистка выбросов.

2. Производство аммиака ($NH_3$)

Метод: процесс Габера–Боша (синтез из азота и водорода).

Реакция: $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$; $\Delta H < 0$ (экзотермическая, обратная эндотермическая).

Условия для смещения равновесия вправо (принцип Ле Шателье):

• Повышение давления (слева 4 моль газов, справа 2 моль) → в промышленности используют 150–300 атм.
• Понижение температуры (экзотермическая реакция) → но при низкой температуре скорость мала, поэтому выбирают оптимум 400–500 °C.
• Удаление аммиака из зоны реакции (конденсация при охлаждении).
• Использование катализатора — пористое железо с добавками $Al_2O_3$ и $K_2O$ (не смещает равновесие, но ускоряет достижение).

Стадии производства:

1. Подготовка азота — из воздуха (азот получают ректификацией или сжиганием водорода в воздухе с последующим удалением кислорода).
2. Получение водорода:
   • Из природного газа (метана): $CH_4 + H_2O \xrightarrow{Ni, 800^\circ C} CO + 3H_2$ (паровая конверсия).
   • Затем конверсия CO: $CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2$.
   • Удаление $CO_2$ (промывка растворами аминов или щёлочью).
3. Компремирование азотоводородной смеси (соотношение 1:3) до 300 атм.
4. Синтез в колонне синтеза при 500 °C над катализатором.
5. Конденсация $NH_3$ при охлаждении; непрореагировавшие $N_2$ и $H_2$ возвращаются в реактор (циркуляционная схема).

Применение аммиака: производство азотных удобрений, азотной кислоты, соды, взрывчатых веществ, холодильных установок.

3. Производство серной кислоты ($H_2SO_4$)

Метод: контактный (современный). Сырьё — сера, пирит $FeS_2$, сероводород, отходящие газы металлургии.

Основные стадии:

1. Получение $SO_2$ (обжиг сырья):

• Обжиг пирита: $4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 8SO_2$.
• Сгорание серы: $S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$.

2. Очистка газа (от пыли, мышьяка, $SO_3$, тумана $H_2SO_4$) — важнейший этап для сохранения катализатора.

3. Окисление $SO_2$ до $SO_3$:

• Реакция: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$; $\Delta H < 0$.
• Условия: катализатор — ванадиевый ($V_2O_5$ на носителе), температура 400–500 °C, давление близко к атмосферному (равновесие при повышении давления смещается вправо, но экономически невыгодно). Используют несколько слоёв катализатора с промежуточным теплообменом.

4. Абсорбция $SO_3$:

• Нельзя абсорбировать водой (образуется туман $H_2SO_4$). Используют концентрированную $H_2SO_4$ (98–99%), при этом образуется олеум: $SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$ (но вода в связанном виде в кислоте). Затем олеум разбавляют до нужной концентрации.

Схема: $S (FeS_2) \rightarrow SO_2 \xrightarrow{[O], V_2O_5} SO_3 \xrightarrow{H_2SO_4(\text{конц.})} H_2SO_4 + H_2O \rightarrow H_2SO_4(\text{разб.})$

4. Производство метанола ($CH_3OH$)

Метод: синтез из синтез-газа ($CO + H_2$).

Реакция: $CO + 2H_2 \rightarrow CH_3OH$; $\Delta H < 0$.

Условия:

• Давление 50–100 атм (в старых процессах до 300 атм).
• Температура 200–300 °C.
• Катализатор — $CuO/ZnO/Al_2O_3$ (медьсодержащий).
• Синтез-газ получают из природного газа: $CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3H_2$ (или $CH_4 + 1/2O_2 \rightarrow CO + 2H_2$).

Применение метанола: растворитель, сырьё для формальдегида, уксусной кислоты, топливная добавка.

5. Переработка нефти

Нефть — сложная смесь углеводородов (алканов, циклоалканов, аренов). Её переработка основана на физических и химических процессах.

5.1. Первичная переработка — ректификация (перегонка)

Нефть нагревают в трубчатой печи (до 350–370 °C) и подают в ректификационную колонну, где пары поднимаются вверх, а жидкая фаза стекает вниз. В зависимости от температуры кипения (и размеров молекул) отбирают фракции:

Вакуумная перегонка мазута позволяет получить гудрон, парафины, масла без разложения углеводородов (при пониженном давлении температура кипения снижается).

5.2. Вторичные процессы (химические)

Каталитический крекинг

Цель: расщепление длинных углеводородов (из мазута) на бензиновые фракции.

• Реакция: $C_{16}H_{34} \rightarrow C_8H_{18} + C_8H_{16}$ (расщепление по $C-C$ связи).
• Условия: цеолитсодержащий катализатор, температура 450–500 °C.
• Повышает октановое число бензина за счёт образования разветвлённых и непредельных углеводородов.

Каталитический риформинг

Цель: повышение октанового числа бензина путём изомеризации, ароматизации и дегидроциклизации.

• Изомеризация: $n$-гексан → 2-метилпентан (разветвлённый).
• Дегидроциклизация: $n$-гексан → бензол + $4H_2$.
• Катализатор: платина на оксиде алюминия $Pt/Al_2O_3$, температура 500 °C, давление 10–30 атм, в присутствии водорода (для предотвращения закоксовывания).

Термический крекинг (менее распространён) — под действием высокой температуры без катализатора, даёт много газов и непредельных углеводородов.

5.3. Природный и попутный нефтяной газы (ПНГ)

• Природный газ — метан (85–95%), этан, пропан, бутан, $CO_2$, $N_2$. Используется как топливо и сырьё для водорода, аммиака, метанола.
• Попутный нефтяной газ — растворён в нефти и выделяется при её добыче. Содержит меньше метана, больше пропана, бутана, а также $C_5+$ (пентаны). Используется для получения сжиженных газов, сырья для нефтехимии.

6. Чёрная и цветная металлургия

6.1. Чёрная металлургия (получение чугуна и стали)

Чугун получают в доменной печи.

• Сырьё: железная руда ($Fe_2O_3$, $Fe_3O_4$), кокс ($C$), флюсы ($CaCO_3$).
• Процесс (восстановление):
  1. $C + O_2 \rightarrow CO_2$ (горение кокса, $t \sim 1600^\circ C$).
  2. $CO_2 + C \rightarrow 2CO$ (эндогенная реакция).
  3. $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$ (восстановление).
  4. $Fe$ плавится и насыщается углеродом → чугун (содержит 2–4% C, а также Si, Mn, P, S).
• Флюс $CaCO_3$ разлагается: $CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$, $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$ (шлак, удаляет примеси).

Сталь — сплав железа с углеродом (менее 2%). Получают из чугуна в кислородных конвертерах, мартеновских печах или электросталеплавильных печах. Окисляют примеси (Si, Mn, P, S, избыток C) кислородом: $C + O_2 \rightarrow CO_2$; $Si + O_2 \rightarrow SiO_2$ (связывается известью в шлак).

6.2. Цветная металлургия (алюминий, медь и др.)

Алюминий получают электролизом глинозёма ($Al_2O_3$) в расплаве криолита $Na_3AlF_6$.

• Сырьё: бокситы ($Al_2O_3 \cdot nH_2O$) → переработка по способу Байера (растворение в щёлочи, осаждение $Al(OH)_3$, прокаливание до $Al_2O_3$).
• Электролиз: $Al_2O_3 \xrightarrow{\text{электролиз}, 950^\circ C} 2Al + 1.5O_2$ (катод — жидкий алюминий, анод — угольный, сгорает).

Медь получают пирометаллургией (обжиг сульфидных руд, например, $CuFeS_2$), затем конвертирование и электролитическое рафинирование.

7. Силикатная промышленность

Производство строительных материалов на основе силикатов.

7.1. Стекло

• Сырьё: кварцевый песок $SiO_2$, сода $Na_2CO_3$, известняк $CaCO_3$.
• Варка при 1500 °C: $SiO_2 + Na_2CO_3 \rightarrow Na_2SiO_3 + CO_2$, $SiO_2 + CaCO_3 \rightarrow CaSiO_3 + CO_2$.
• Состав обычного оконного стекла: $Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2$ (силикат натрия-кальция).
• Виды стекла: кварцевое (только $SiO_2$), боросиликатное ($B_2O_3$), хрустальное (с $PbO$).

7.2. Цемент

• Сырьё: глина ($Al_2O_3, SiO_2$) и известняк ($CaCO_3$).
• Обжиг при 1450 °C во вращающейся печи → клинкер (смесь $Ca_3SiO_5$, $Ca_2SiO_4$, $Ca_3Al_2O_6$ и др.).
• Клинкер размалывают с гипсом ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$) — регулятором схватывания.
• При смешивании с водой происходит гидратация силикатов кальция, образуется цементный камень.

7.3. Керамика

• Сырьё: глина ($Al_2O_3 \cdot 2SiO_2 \cdot 2H_2O$ и примеси). Формуют изделия, сушат, обжигают при 900–1300 °C. В процессе обжига глина теряет воду, спекается, образуя прочный материал (кирпич, черепица, посуда, огнеупоры).

Примеры

Пример 1 (производство аммиака). Почему синтез аммиака проводят при высоком давлении, но не при очень низкой температуре, хотя реакция экзотермична?

Решение: По принципу Ле Шателье, для экзотермической реакции понижение температуры смещает равновесие в сторону продукта ($NH_3$). Однако при низкой температуре скорость реакции становится исчезающе малой даже в присутствии катализатора. Поэтому выбирают компромиссную температуру (400–500 °C), при которой скорость достаточно высока. Давление повышают для смещения равновесия и увеличения выхода (уменьшение объёма газов).

Пример 2 (производство серной кислоты). Почему для абсорбции $SO_3$ используют не воду, а концентрированную серную кислоту?

Решение: При абсорбции $SO_3$ водой образуются мельчайшие капельки серной кислоты — туман, который не улавливается в абсорбере и уносится с газами, вызывая потери продукта и загрязнение. Концентрированная $H_2SO_4$ (98–99%) поглощает $SO_3$ с образованием олеума ($H_2SO_4 + SO_3 \rightarrow H_2S_2O_7$), который затем разбавляют до нужной концентрации без образования тумана.

Пример 3 (переработка нефти). Каталитический крекинг и риформинг — оба повышают октановое число бензина. В чём разница?

Решение: Крекинг расщепляет тяжёлые углеводороды на более лёгкие и увеличивает выход бензиновой фракции, при этом образуются непредельные и разветвлённые соединения. Риформинг не изменяет молекулярную массу (или незначительно изменяет), а превращает низкооктановые компоненты (нормальные алканы, цикланы) в ароматические и разветвлённые изомеры, которые также имеют высокое октановое число. Риформинг — это «облагораживание» бензина.

Пример 4 (металлургия). Зачем в доменную печь добавляют известняк?

Решение: Известняк ($CaCO_3$) разлагается на $CaO$ и $CO_2$. $CaO$ связывает кислые примеси (оксид кремния $SiO_2$) в легкоплавкий шлак $CaSiO_3$, который удаляется и не загрязняет чугун. Без флюса $SiO_2$ оставался бы в чугуне или затруднял плавку.

Вопросы для самопроверки

1. Напишите уравнение реакции получения водорода из метана (паровая конверсия).
2. Каковы условия (температура, давление, катализатор) синтеза аммиака?
3. Почему окисление $SO_2$ до $SO_3$ ведут в несколько стадий с промежуточным охлаждением?
4. Перечислите фракции, получаемые при ректификации нефти, и их примерное содержание углерода.
5. Чем отличается каталитический крекинг от термического?
6. Как получают алюминий? Какую роль играет криолит?
7. Какие вещества входят в состав шихты для варки оконного стекла? Напишите основную химическую реакцию.
8. Что такое октановое число и для какой фракции оно важно?

Краткий конспект

• Производство аммиака ($NH_3$): $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$, 300 атм, 500 °C, Fe-катализатор.
• Производство $H_2SO_4$: обжиг $S$ или $FeS_2$ → $SO_2$ → окисление до $SO_3$ на $V_2O_5$ → абсорбция конц. $H_2SO_4$.
• Метанол: $CO + 2H_2 \rightarrow CH_3OH$ (Cu-катализатор, 200–300 °C, 50–100 атм).
• Переработка нефти: ректификация (фракции: газ, бензин, керосин, дизель, мазут); крекинг (расщепление); риформинг (изомеризация и ароматизация).
• Металлургия: домна (восстановление $Fe$), электролиз $Al_2O_3$ в криолите, конвертирование меди.
• Силикатная промышленность: стекло ($SiO_2$, $Na_2CO_3$, $CaCO_3$), цемент (клинкер + гипс), керамика (обжиг глины).

Что изучать дальше

Следующий урок — урок 71 «Химия и экология. Химическое загрязнение окружающей среды». Вы узнаете о ПДК, кислотных дождях, парниковом эффекте, переработке отходов и альтернативной энергетике. Эти темы также входят в задание №25 и важны для понимания глобальных проблем.

Для закрепления решите задания №25 из сборников ЕГЭ, связанные с промышленностью и производством.