Công nghiệp tổng hợp Ammonia (Quy trình Haber–Bosch)

Phương trình / Quy luật áp dụng: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Giải thích chuẩn SGK: Phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, số phân tử khí giảm: cần đồng thời đảm bảo cả «nhanh» và «nhiều», nên phải chia thành 5 công đoạn (xem thanh điều hướng bên dưới).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp «Vì sao tổng hợp ammonia phải chia thành nhiều công đoạn như vậy»: đáp án nằm ở «sự dung hòa giữa tốc độ và cân bằng» và «mỗi công đoạn giải quyết vấn đề cho công đoạn kế tiếp».

Phương trình / Quy luật áp dụng: CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g)

Giải thích chuẩn SGK: Tạp chất chứa lưu huỳnh trong khí nguyên liệu sẽ làm ngộ độc xúc tác Fe, có loại ngộ độc không thuận nghịch; vì vậy phải khử lưu huỳnh, chuyển hóa CO và tách CO₂ trước

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Khi thi hỏi «Vì sao bắt buộc phải tinh chế», câu trả lời phải nhấn mạnh vào bảo vệ chất xúc tác (và chống tắc nghẽn), đừng chỉ nói chung chung là «loại tạp chất».

Phương trình / Quy luật áp dụng: Bước này không có phản ứng hóa học: 4 mol khí → 2 mol khí, tăng áp suất làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận

Giải thích chuẩn SGK: Sau phản ứng số phân tử khí giảm, tăng áp suất làm cân bằng chuyển dịch sang phải và tăng tốc độ; nhưng áp suất càng cao thì thiết bị và điện năng càng đắt, nên chọn 10–30 MPa

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi «Vì sao chọn áp suất 10–30 MPa» cần nêu đủ 3 ý: cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tốc độ phản ứng tăng, thiết bị và mức tiêu thụ năng lượng chịu được.

Phương trình / Quy luật áp dụng: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Giải thích chuẩn SGK: Nhiệt độ thấp cân bằng tốt nhưng phản ứng quá chậm; nhiệt độ cao nhanh nhưng cân bằng kém; xúc tác Fe có hoạt tính tốt nhất ở 400–500 ℃, đây là sự dung hòa

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Bẫy hay gặp khi thi: nói chất xúc tác «làm tăng hiệu suất chuyển hóa cân bằng» là sai; nó chỉ rút ngắn thời gian đạt cân bằng.

Phương trình / Quy luật áp dụng: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Giải thích chuẩn SGK: Trong tháp chia làm 4 tầng xúc tác, giữa các tầng thổi khí làm nguội nhanh để kiểm soát nhiệt, tránh làm hỏng xúc tác; chất xúc tác chỉ tăng tốc độ, không đổi cân bằng

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: «Vì sao chia làm 4 tầng và phải làm mát giữa các tầng» = độ tăng nhiệt của phản ứng tỏa nhiệt phải được lấy đi theo từng đoạn, nếu không xúc tác sẽ bị thiêu kết.

Phương trình / Quy luật áp dụng: NH₃(g) → NH₃(l)

Giải thích chuẩn SGK: Làm lạnh để tách ammonia lỏng, N₂ và H₂ chưa phản ứng được đưa quay lại phản ứng tiếp; bước này nâng cao hiệu suất sử dụng nguyên liệu chứ không đổi hiệu suất chuyển hóa cân bằng.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Điểm dễ nhầm lẫn khi thi: tuần hoàn làm tăng hiệu suất sử dụng nguyên liệu, chứ không phải hiệu suất chuyển hóa cân bằng.

Phương trình / Quy luật áp dụng: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Giải thích chuẩn SGK: Phần kiểm tra không có kết luận mới: đồng thời đảm bảo điều kiện của 6 bước trước — nhiệt độ, áp suất nằm trong khoảng SGK, bật cả tinh chế lẫn tuần hoàn.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Cách trả lời đạt điểm tối đa cho câu hỏi «Chọn điều kiện công nghiệp như thế nào»: nêu mâu thuẫn giữa tốc độ và cân bằng trước, sau đó giải thích lý do dung hòa cho từng yếu tố.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Cho khí thiên nhiên (hoặc than đá) tác dụng với hơi nước. Trong công nghiệp, người ta chuyển hóa khí thiên nhiên (hoặc than đá) với hơi nước ở nhiệt độ cao, có xúc tác để điều chế H₂; điện phân nước tốn quá nhiều điện, chi phí quá cao. Chưng cất phân đoạn không khí lỏng thu được N₂.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Ngăn ngừa ngộ độc chất xúc tác. Các tạp chất như hợp chất lưu huỳnh, CO sẽ chiếm giữ tâm hoạt động của xúc tác Fe làm xúc tác bị ngộ độc và mất hoạt tính. Tinh chế không làm thay đổi cân bằng mà chỉ bảo vệ chất xúc tác.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Loại bỏ CO, đồng thời tăng lượng H₂ và điều chỉnh tỉ lệ H₂∶N₂. Phản ứng chuyển hóa biến CO thành CO₂ dễ tách bỏ, đồng thời cứ 1 mol CO lại tạo thêm 1 mol H₂, giúp điều chỉnh tỉ lệ H₂∶N₂ về gần mức 3∶1.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Số phân tử khí giảm, tăng áp suất làm cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận, đồng thời làm nhanh phản ứng. 4 mol khí → 2 mol khí, tăng áp suất làm cân bằng dịch chuyển theo chiều tạo NH₃, nồng độ tăng còn làm tăng tốc độ phản ứng. Hằng số cân bằng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Dung hòa giữa tốc độ và giới hạn cân bằng, đồng thời xúc tác Fe có hoạt tính tốt ở nhiệt độ này. Phản ứng thuận tỏa nhiệt, nhiệt độ thấp có lợi cho cân bằng hơn nhưng tốc độ quá chậm và hoạt tính xúc tác không đủ; 400–500 ℃ là sự dung hòa giữa tốc độ, giới hạn chuyển hóa và hoạt tính xúc tác.