Produksi Haber dan pupuk NPK: rasio, kondisi, dan garam
Diperkenalkan| English | Makna |
|---|---|
| NPK fertiliser | pupuk NPK |
| Haber process/ˈheɪbə ˈprəʊses/ | proses Haber |
Apakah daur ulang gas membuat pupuk bebas sumber daya?
- Mengembalikan gas yang tidak bereaksi meningkatkan penggunaan bahan baku. Hal ini tidak menghilangkan energi yang diperlukan untuk memanaskan dan memampatkan gas, maupun sumber daya yang dibutuhkan untuk membuat garam.
- Pelajaran Kimia Terpisah ini membahas produksi Haber dan pupuk NPK. Siklus proses diperlukan di kedua tingkatan; evaluasi kesetimbangan/laju secara eksplisit untuk tingkatan Tinggi (HT).
Ikuti siklus Haber
- Proses Haber memproduksi amonia. Nitrogen berasal dari udara; hidrogen dapat berasal dari gas alam yang direaksikan dengan uap air. Gas yang dimurnikan melewati besi pada suhu sekitar 450 °C dan tekanan sekitar 200 atmosfer: $N_2+3H_2\rightleftharpoons2NH_3$.
- Pendinginan mencairkan amonia agar dapat dipisahkan. Nitrogen dan hidrogen yang tidak bereaksi dikembalikan ke reaktor. Reaksi ini reversibel, sehingga konversi per-lintasan berbeda dengan konversi keseluruhan setelah daur ulang berulang.
Aliran manakah yang dikembalikan ke reaktor Haber setelah didinginkan?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Pendinginan memisahkan amonia cair; nitrogen dan hidrogen yang belum bereaksi dikembalikan. Sirkulasi ini meningkatkan penggunaan bahan baku, namun pemanasan dan kompresi tetap memerlukan energi.
Gunakan rasio koefisien pada satu lintasan
- Umpan mengandung 2 mol nitrogen dan 6 mol hidrogen. Jika hanya 1 mol nitrogen bereaksi, ia mengonsumsi 3 mol hidrogen dan membentuk 2 mol amonia. Sisa gas adalah 1 mol nitrogen dan 3 mol hidrogen.
- Jika seluruh umpan awal terkonversi, maksimum teoritis akan menjadi 4 mol amonia. Jangan gunakan nilai maksimum ini sebagai jumlah yang sebenarnya diproduksi pada lintasan yang disebutkan. Persamaan setara mengawetkan atom nitrogen dan hidrogen.
HT: seimbangkan laju, hasil, dan biaya
- Reaksi maju bersifat eksoterm. Suhu lebih rendah mendukung hasil kesetimbangan amonia tetapi memperlambat reaksi; suhu lebih tinggi meningkatkan laju tetapi menurunkan hasil kesetimbangan. Interpretasikan grafik laju dan kesetimbangan sebagai besaran yang berbeda.
- Tekanan lebih tinggi mendukung pembentukan amonia karena empat molekul gas reaktan menjadi dua molekul produk, namun kompresi dan peralatan kuat membutuhkan energi dan biaya. Besi mempercepat kedua arah dan pendekatan kesetimbangan tanpa mengubah posisinya. Kondisi industri adalah kompromi, bukan hasil kesetimbangan maksimum yang mungkin.
Pada suhu dan tekanan yang tetap, besi meningkatkan hasil kesetimbangan amonia.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Besi mempercepat reaksi maju dan mundur, mencapai kesetimbangan lebih cepat tanpa mengubah posisinya. Pembeda antara laju dan hasil kesetimbangan pada kondisi ini terletak pada peran katalis tersebut.
Pasokan nitrogen, fosfor, dan kalium
- Pupuk NPK adalah formulasi garam yang menyediakan tiga unsur hara. Amonia dapat menghasilkan garam amonium dan asam nitrat. Netralisasi menghasilkan amonium nitrat: $NH_3+HNO_3\rightarrow NH_4NO_3$.
- Kalium klorida, kalium sulfat, dan batu fosfat ditambang. Batu fosfat tidak langsung cocok sebagai pupuk; perlakuan membuatnya menjadi garam larut yang dapat digunakan. Asam fosfat sendiri tidak menyuplai kalium.
Garam amonium apa yang terbentuk ketika amonia menetralkan asam nitrat?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
NH₃ +HNO₃ →NH₄NO₃, amonium nitrat. Ini menyediakan nitrogen, sementara formulasi NPK lengkap juga menyediakan fosfor dan kalium.
Bedakan tiga jenis perlakuan batu fosfat
- Perlakuan asam nitrat menghasilkan kalsium nitrat dan asam fosfat. Asam sulfat menghasilkan superfosfat tunggal yang mengandung kalsium dihidrogen fosfat dengan kalsium sulfat.
- Asam fosfat menghasilkan superfosfat tiga kali lipat yang mengandung kalsium dihidrogen fosfat tanpa komponen sulfat tersebut. Jangan sebut setiap perlakuan asam sekadar “superfosfat”, dan jangan bingung antara sumber fosfor dengan sumber kalium.
Cocokkan istilah dengan maknanya secara tepat.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Gunakan struktur kimia, proses, atau batas perbandingan untuk membedakan istilah-istilah tersebut.
Bandingkan garam yang sama di laboratorium dan industri
- Netralisasi/titrasi laboratorium yang terkendali dengan hati-hati diikuti penguapan dan kristalisasi dapat menghasilkan padatan murni. Titrasi laboratorium tidak secara inheren menghasilkan produk yang tidak murni.
- Industri dapat mengintegrasikan produksi amonia/asam, memulihkan panas, dan mempertahankan output besar, namun memerlukan peralatan dan pengendalian emisi. Bandingkan energi yang disuplai per unit, kemurnian, skala, peralatan, limbah, dan biaya; pernyataan “industri selalu lebih baik” bukan merupakan evaluasi.
Manakah dua klaim yang benar membatasi perbandingan manufaktur?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Titrasi laboratorium tidak secara inheren mengandung pengotor. Industri menawarkan skala dan integrasi, namun tetap memerlukan energi dan peralatan; evaluasi kriteria dan data yang sebenarnya.
Terapkan metode ini pada umpan baru
- Umpan independen: 3 mol nitrogen dan 9 mol hidrogen. Jika 2 mol nitrogen bereaksi dalam satu kali laluan, 6 mol hidrogen bereaksi, 4 mol amonia terbentuk, dan 1 mol nitrogen serta 3 mol hidrogen tersisa.
- Katalisator dapat mencapai kesetimbangan lebih cepat tetapi tidak dapat meningkatkan jumlah kesetimbangan pada suhu dan tekanan yang tetap. Berikan alasan berdasarkan laju atau kesetimbangan, kemudian berikan faktor biaya/kondisi yang membatasi klaim industri tersebut.
Ikuti prosesnya, gunakan rasio seimbang, bedakan laju dari hasil kesetimbangan, dan identifikasi garam nutrisi aktual serta perbandingan manufaktur.
Sebuah umpan memiliki 3 mol nitrogen dan 9 mol hidrogen. Jika 2 mol nitrogen bereaksi dalam satu kali lewat, berapa mol amonia yang terbentuk?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Dua mol nitrogen mengonsumsi 6 mol hidrogen dan menghasilkan 4 mol amonia, menyisakan 1 mol nitrogen dan 3 mol hidrogen. Maksimum teoritis dari seluruh umpan sebesar 6 mol tidak sama dengan jumlah yang disebutkan per kali lewat.