Skip to content
Graad 12 · Chemie · Les 5

Die Chemiese Nywerheid

Verduidelik die industriële vervaardiging van ammoniak (Haber-proses) en swaelsuur (Kontakproses), en evalueer die toestande wat gebruik word in terme van opbrengs en tempo.

Skakel om IEB-uitbreidingsinhoud te wys

Die Haber-proses — Sintese van Ammoniak

Die Haber-proses (ontwikkel deur Fritz Haber en Carl Bosch, vroeg in die 1900's) is een van die belangrikste industriële reaksies — dit maak grootskaalse sintese van ammoniak vir kunsmis moontlik, wat ongeveer die helfte van die wêreld se bevolking voed.

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)      ΔH = −92 kJ·mol−1

Bronne van Grondstowwe

Industriële Toestande & Regverdiging

ToestandWaarde gebruikLe Chatelier-regverdigingKompromie
Temperatuur~450°CReaksie is eksotermies (ΔH < 0): laer T bevoordeel produk (verskuif regs), wat 'n hoër K en opbrengs geeTe lae T → tempo te stadig. 450°C is die kompromie wat 'n aanvaarbare tempo met katalisator gee
Druk150–200 atmLinkerkant: 4 mol gas (1+3); regterkant: 2 mol gas. Hoë P verskuif die ewewig REGS (minder mol), wat opbrengs verhoogBaie hoë P is duur (sterk houers) en gevaarlik. 200 atm is die ekonomiese optimum
KatalisatorYster (Fe) met K2O- en Al2O3-promotorsVerskuif NIE die ewewig nie; verander NIE Kc nieLaat die ewewig vinniger bereik word by 'n laer temperatuur. Sonder dit sou 450°C te stadig wees
Ongereageerde gasseHerwin terug na die reaktorVerhoog effektief die reagenskonsentrasie, wat die ewewig regs verskuif (Le Chatelier)Verbeter die algehele opbrengs al is die enkeldeurgang-omsetting slegs ~15–25%
Sleutelinsig — Kompromie tussen tempo en opbrengs: Lae temperatuur maksimeer opbrengs (Kc neem toe soos T daal vir 'n eksotermiese reaksie) maar die tempo word onaanvaarbaar stadig. Hoë temperatuur verhoog tempo maar verlaag opbrengs. 'n Kompromie-temperatuur van ~450°C met 'n ysterkatalisator gee 'n industrieel aanvaarbare tempo met 'n redelike opbrengs (∼15–25% per deurgang, verbeter deur herwinning).

Gebruike van Ammoniak

Die Kontakproses — Sintese van Swaelsuur

Swaelsuur is die wêreld se mees geproduseerde industriële chemikalie. Die Kontakproses vervaardig dit in drie hoofstappe:

Stap 1 — Verbranding van swael (of die roostering van sulfiedertse soos FeS2):

S(s) + O2(g) → SO2(g)      (ΔH < 0)

Stap 2 — Oksidasie van SO2 na SO3 (die ewewigstap — kompromie tussen tempo en opbrengs):

2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g)      ΔH = −196 kJ·mol−1
ToestandWaardeRegverdiging
Temperatuur~450°CDieselfde kompromie as by Haber: eksotermiese reaksie, laer T gee beter opbrengs maar stadiger tempo; 450°C met katalisator is optimaal
Druk1–2 atm (naby atmosferies)3 mol gas → 2 mol gas: hoë P sou SO3 bevoordeel, maar opbrengs by 450°C is reeds ~98%, dus is die ekstra koste van hoë P nie geregverdig nie
KatalisatorV2O5 (vanadium(V)-oksied)Verhoog tempo; laat reaksie by laer temperatuur toe; V2O5 word geregenereer ('n ware katalisator)

Stap 3 — Absorpsie van SO3 (NIE direk in water nie):

SO3(g) + H2SO4(l) → H2S2O7(l)    (oleum / rokende H2SO4)
H2S2O7(l) + H2O(l) → 2H2SO4(l)
Waarom nie SO3 direk by water voeg nie? Die reaksie SO3 + H2O → H2SO4 is hewig eksotermies en produseer 'n digte, hoogs korrosiewe suurmis wat baie moeilik is om te bevat. In plaas daarvan word SO3 eers in gekonsentreerde H2SO4 opgelos om oleum te vorm, wat dan versigtig met water verdun word.

Gebruike van Swaelsuur

Groen-chemie-beginsels

Albei prosesse weerspieël pogings om industriële doeltreffendheid met omgewingsverantwoordelikheid te balanseer:

⭐ IEB-uitbreiding — Atoomekonomie & Persentasie-opbrengs

Atoomekonomie meet hoe doeltreffend atome in reagense omgeskakel word na gewenste produk(te):

% Atoomekonomie = (Mr van gewenste produk / totale Mr van alle produkte) × 100%

Voorbeeld — Haber-proses: N2 + 3H2 → 2NH3. Die enigste produk is NH3.

% Atoomekonomie = (2 × 17) / (2 × 17) × 100% = 100%

Die Haber-proses het 100% atoomekonomie — alle atome in die reagense beland in die gewenste produk. Dit maak dit ideaal vanuit 'n groen-chemie-oogpunt, ondanks die energiekoste.

Persentasie-opbrengs vergelyk werklike opbrengs met teoretiese opbrengs:

% opbrengs = (werklike opbrengs / teoretiese opbrengs) × 100%

Voorbeeld: As 15,0 g NH3 geproduseer word terwyl die teoretiese opbrengs 34,0 g was: % opbrengs = (15,0/34,0) × 100% = 44,1%.

Let wel: Die Haber-proses het 100% atoomekonomie maar slegs ~15–25% opbrengs per deurgang (weens ewewigsbeperkings). Herwinning van ongereageerde gasse verhoog die algehele opbrengs tot ~97%. Beide hoë atoomekonomie en hoë opbrengs is wenslik.

Voorspel eers: 'n Hoër temperatuur laat NH₃ vinniger vorm, maar verhoog dit die opbrengs? Toets dit dan: Verander die temperatuur en dan die druk, en kyk na die voorspelde uitkomste.

Le Chatelier-simulator — Haber-proses: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

Pas Industriële Toestande Aan
450°C
200 atm
Voorspelde Uitkomste
NH₃-opbrengs
--%
Tempo
--
Uitspraak
--
Kc-neiging
--
0/6
Vasvra voltooi! Gaan die verduidelikings na om jou begrip te versterk.
IEB-uitbreidingsvrae
Beantwoord alle vrae in volledige sinne waar vereis. Vir Le Chatelier-vrae moet jy altyd die rigting van die verskuiwing noem EN die beginsel by naam noem. Skryf altyd gebalanseerde vergelykings met toestandsimbole.
Vraag 1 — Toestande van die Haber-proses
Die Haber-proses: N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)    ΔH = −92 kJ·mol−1

(a) Verduidelik waarom 'n hoë druk van 200 atm gebruik word. Tel in jou antwoord die mol gas aan elke kant en pas Le Chatelier se beginsel toe.

(b) Die reaksie is eksotermies. Verduidelik die temperatuurkompromie: waarom nie 200°C (beter opbrengs) of 700°C (vinniger tempo) gebruik nie? Watter rol speel die ysterkatalisator?

(c) Ongereageerde N2 en H2 word van NH3 geskei deur vervloeiing en herwin. Verduidelik met behulp van Le Chatelier se beginsel hoe herwinning die algehele opbrengs verbeter.

(d) Noem TWEE grootskaalse gebruike van ammoniak.

(10 punte)
Vraag 2 — Kontakproses
Die belangrikste ewewigstap in die Kontakproses is: 2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g)    ΔH = −196 kJ·mol−1

(a) Skryf die vergelyking vir Stap 1 (verbranding van swael in lug).

(b) Vir die ewewigstap hierbo:
   (i) Pas Le Chatelier se beginsel toe om te verduidelik waarom 'n hoë druk SO3-produksie sou bevoordeel.
   (ii) Ondanks dit word atmosferiese druk industrieel gebruik. Verduidelik waarom.
   (iii) Die katalisator wat gebruik word, is V2O5. Watter effek het dit op die ewewigsposisie en op Kc?

(c) Verduidelik waarom SO3 in gekonsentreerde H2SO4 geabsorbeer word (om oleum te vorm) eerder as om direk in water op te los.

(d) Noem TWEE gebruike van swaelsuur in die industrie of alledaagse lewe.

(10 punte)
Vraag 3 — Vergelyking van die Twee Prosesse
Voltooi die vergelykingstabel vir die Haber- en Kontakprosesse:

Teken 'n tabel met kolomme: Eienskap | Haber-proses | Kontakproses
Rye om te voltooi: (a) Vergelyking vir die belangrikste ewewigstap   (b) Temperatuur gebruik   (c) Katalisator   (d) Effek van toenemende druk op opbrengs   (e) Teken van ΔH   (f) Een belangrike gebruik van produk

(6 punte)
Vraag 4 — Groen Chemie & Volhoubaarheid
(a) Definieer “atoomekonomie” en verduidelik waarom die Haber-proses 'n hoë atoomekonomie het.

(b) Die Kontakproses produseer SO2-stertgas as 'n newe-produk. Verduidelik waarom dit 'n omgewingskwessie is en beskryf EEN maatreël wat geneem word om SO2-vrystellings te verminder.

(c) Stel EEN verandering aan die Haber-proses voor wat dit meer omgewingsvolhoubaar sou maak. Verduidelik die voordeel van hierdie verandering.

(6 punte)
Vraag 5 — Lees van Opbrengs-/Tempodata by Verskillende Temperature
'n Aanlegtegnikus teken die NH3-persentasie-opbrengs en relatiewe reaksietempo vir die Haber-proses aan teen 'n konstante druk van 200 atm, by verskillende reaktortemperature:
Temperatuur (°C)350400450500550
NH3-opbrengs (%)372516106.0
Relatiewe tempo (a.e.)14102245
(a) Beskryf die neiging in NH3-opbrengs soos temperatuur toeneem van 350°C tot 550°C. Gebruik Le Chatelier se beginsel om te verduidelik waarom hierdie neiging vir 'n eksotermiese reaksie voorkom.
(b) Beskryf die neiging in relatiewe tempo oor dieselfde temperatuuromvang. Verduidelik waarom tempo toeneem met temperatuur, in terme van deeltjiebotsings en aktiveringsenergie.
(c) Verduidelik, deur BEIDE kolomme van die tabel te gebruik, waarom 450°C (nie 350°C of 550°C nie) as die industriële kompromietemperatuur gekies word.
(d) 'n Reaktor voer 500 kg N2-gas in (M = 28 g·mol−1). Bereken die teoretiese massa NH3 (M = 17 g·mol−1) as al die N2 volledig gereageer het. Gebruik dan die 450°C-opbrengs (16%) uit die tabel om die werklike massa NH3 geproduseer te bereken.

(10 punte)