Síntesis de amoníaco: proceso y reacción

La historia del proceso Haber

Las industrias actuales utilizan el proceso Haber para sintetizar amoníaco, pero no se inventó hasta principios del siglo XX.

En 1898, Sir William Cook, un químico británico, predijo que parte de la humanidad podría enfrentarse a la perspectiva de morir de hambre debido a la falta de fertilizantes nitrogenados para el crecimiento de las plantas. En ese momento, casi todo el nitrógeno del suelo, como nitrato, fue fijado durante cientos de años por microorganismos, y esos ricos suelos orgánicos se estaban agotando rápidamente. Los países industrializados, como Alemania, ya dependían del estiércol animal, como el guano de América del Sur, para producir fertilizantes nitrogenados.

Afortunadamente, en 1908, un químico alemán llamado Fritz Haber desarrolló un método químico para producir grandes cantidades de amoníaco, utilizando un proceso que ahora se conoce como el proceso Haber . El amoníaco así producido podría convertirse fácilmente en fertilizantes a base de nitrógeno. El amoníaco también se usa para fabricar explosivos y productos de limpieza.

El proceso de Haber

El proceso Haber es un proceso industrial que utiliza gas nitrógeno e hidrógeno para sintetizar amoniaco. La ecuación que representa el proceso de Haber viene dada por:

Obtención de hidrógeno

Entonces, ¿cómo obtiene el proceso su hidrógeno?

1. Electrólisis del agua

Recordará que el paso de una corriente eléctrica a través del agua utilizando electrodos inertes produce hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo.

2H 2 O + Energía eléctrica -> 2H 2 + O 2 .

Es bueno señalar que este método de obtención de hidrógeno para el proceso Haber se utilizó para la producción de amoniaco en el siglo XX.

2. Reacción del metano y el vapor

Con el tiempo, los químicos encontraron una forma comparativamente más barata y eficiente de producir hidrógeno. El método implica el uso de una fuente de metano, como el gas natural, que se hace reaccionar con vapor a alta temperatura a 700 ° C-1000 ° C y a una presión de 3-25 bar. Junto al hidrógeno, se forma monóxido de carbono y una cantidad relativamente pequeña de dióxido de carbono.

CH 4 + H 2 O + calor -> CO + 3H 2 (+ pequeña cantidad de CO2)

Posteriormente, el monóxido de carbono y el vapor se hacen reaccionar utilizando níquel como catalizador para producir dióxido de carbono y más hidrógeno.

CO + H 2 O -> CO 2 + H 2

Finalmente, el dióxido de carbono y otras impurezas se eliminan de la corriente de gas mediante un método conocido como adsorción por cambio de presión. Esto deja atrás hidrógeno esencialmente puro.

Obtención de nitrógeno

Bien, ahora, ¿cómo se obtiene el nitrógeno en el proceso?

1. Destilación fraccionada de aire líquido

El nitrógeno se puede obtener mediante la destilación fraccionada del aire que nos rodea. El aire se comprime a 200 o C. Los gases traza, el dióxido de carbono y el agua se eliminan mediante filtración. El oxígeno y el nitrógeno se licuan a -183 o C y -196 o C respectivamente. Esta mezcla licuada, compuesta de oxígeno y nitrógeno, se separa luego por destilación fraccionada. Dado que el nitrógeno líquido hierve a una temperatura más baja que el oxígeno, subirá por la columna de fraccionamiento mientras el oxígeno líquido permanece en la parte inferior. Sin embargo, este método de obtención de nitrógeno es demasiado caro.

2. Reacción del metano y el aire

Recuerde que el aire está compuesto por alrededor del 78% de nitrógeno, y casi todo el resto es oxígeno. Si quemamos metano en el aire, el oxígeno reacciona con el metano para producir dióxido de carbono y agua. Puede comprender que el nitrógeno presente en el aire permanece sin reaccionar. Si eliminamos el dióxido de carbono y el agua, obtenemos nitrógeno.

Producción de nitrógeno e hidrógeno

Ahora que se han obtenido nitrógeno e hidrógeno, se pueden hacer reaccionar para producir amoníaco. A continuación, estos gases se comprimen y se envían al reactor, donde una molécula de gas nitrógeno reacciona con tres moléculas de gas hidrógeno sobre hierro finamente dividido como catalizador para producir dos moléculas de amoniaco. Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química, sin ser consumida por la reacción.

El proceso de Haber es una reacción de equilibrio exotérmico reversible. Cualquier reacción exotérmica libera energía a su entorno. La producción de cada molécula de amoníaco durante el proceso de Haber libera 46 KJ de energía térmica.

Condiciones necesarias

El proceso de Haber utiliza el principio de Le Chatelier para maximizar el amoníaco mientras se tienen en cuenta los costos operativos y de producción. El principio de Le Chatelier establece que si se produce una perturbación en una reacción en equilibrio, la posición del equilibrio cambiará de tal manera que se contrarreste la perturbación.

Presión

El principio de Le Chatelier nos dice que el aumento de la presión favorecerá al lado con menos lunares. Por lo tanto, tendría sentido realizar la reacción a una presión muy alta, pero también debemos recordar que es costoso construir y operar una planta que pueda soportar presiones tan altas. Por lo tanto, se utiliza una presión de compromiso de alrededor de 150-200 atmósferas.

Temperatura

Ahora consideremos la mejor temperatura requerida para que el proceso maximice el rendimiento de amoníaco. Dado que la reacción directa es exotérmica (recuerde que se liberan 46 KJ de calor por cada mol de amoníaco producido), sería sensato realizar la reacción a baja temperatura. Sin embargo, una temperatura de compromiso de alrededor de 450-500 o C asegura que la reacción se desarrolle con suficiente rendimiento. Esta temperatura no es ni demasiado baja ni demasiado alta. Si se usa una temperatura más baja, la velocidad de reacción sería lenta y tomaría mucho tiempo para que la reacción alcanzara el equilibrio.

El rendimiento de amoníaco por el proceso Haber en las condiciones establecidas de presión y temperatura es de alrededor del 15-20%. Todo el nitrógeno y el hidrógeno no utilizados se reciclan en el reactor.

Producción de amoniaco a partir de nitrógeno e hidrógeno.

Resumen de la lección

El amoníaco se prepara industrialmente mediante el proceso Haber , un método químico que utiliza gas nitrógeno e hidrógeno para sintetizar el amoníaco. Una molécula de gas nitrógeno reacciona con tres moléculas de gas hidrógeno sobre hierro finamente dividido como catalizador para producir dos moléculas de amoniaco.

El nitrógeno gaseoso puede obtenerse del aire mediante destilación fraccionada de aire líquido. Alternativamente, si el oxígeno que se encuentra en el aire se hace reaccionar con gas natural, el nitrógeno que permanece sin reaccionar se puede separar. Por otro lado, el hidrógeno puede obtenerse por electrólisis del agua o haciendo reaccionar gas natural con vapor.

Tanto el hidrógeno como el nitrógeno reaccionan a 450-500 o C y a una presión de 150-200 atmósferas para producir alrededor del 15-20% de amoníaco.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador