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Equilíbrio químico · A síntese do amoníaco

O processo de Haber-Bosch

Os adubos que ajudam a produzir o pão, a fruta e as hortaliças que comes dependem de um gás: o amoníaco, $\text{NH}_3$. O azoto está por todo o lado (cerca de 78 % do ar), mas é muito pouco reativo. Como é que a indústria o consegue transformar em amoníaco, em grande quantidade e a custo razoável? A resposta é uma aplicação direta do equilíbrio químico, e vais ver que cada condição do processo tem uma razão.

A reação e o seu equilíbrio

A síntese do amoníaco é uma reação em fase gasosa, reversível e exotérmica:

$$\text{N}_2\ \text{(g)} + 3\ \text{H}_2\ \text{(g)} \rightleftharpoons 2\ \text{NH}_3\ \text{(g)} \qquad \Delta H = -92\ \text{kJ/mol}$$

Dois factos da equação decidem tudo:

  • Do lado dos reagentes há $1 + 3 = 4$ mol de gás; do lado do produto há $2$ mol de gás. A reação direta diminui a quantidade de matéria gasosa.

  • A reação direta é exotérmica ($\Delta H < 0$): liberta energia. A inversa é endotérmica.

A expressão da constante de equilíbrio é:

$$K_c = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2]\,[\text{H}_2]^3}$$

Num equilíbrio, a reação não "acaba": as reações direta e inversa continuam, com a mesma velocidade, e as concentrações ficam constantes. Por isso, mesmo nas melhores condições, parte do azoto e do hidrogénio fica sem reagir.

Esquema da reação de síntese do amoníaco: 1 molécula de azoto e 3 de hidrogénio originam 2 de amoníaco, com 4 mol de gás à esquerda e 2 mol à direita. 1 N₂ 3 H₂ ⇌ 2 NH₃ 4 mol de gás 2 mol de gás

Como obter mais amoníaco: pressão, temperatura e remoção do produto

O Princípio de Le Châtelier diz que, quando se perturba um sistema em equilíbrio, ele evolui no sentido que contraria a perturbação. Aplica-o a cada fator.

Pressão. Aumentar a pressão (diminuindo o volume) favorece o sentido em que há menos mol de gás, pois assim a pressão tende a baixar. Aqui é o sentido direto (4 mol → 2 mol). Pressão elevada, mais amoníaco.

Temperatura. Aumentar a temperatura favorece a reação endotérmica, que absorve energia. Aqui é a inversa. Logo, temperaturas baixas favorecem o amoníaco, e $K_c$ diminui quando a temperatura aumenta. É isto que mostra a tabela de dados experimentais, a 200 bar:

Temperatura (°C) 200 300 400 500 600
NH₃ (% em volume) 85 62 38 18 8

A percentagem de amoníaco diminui sempre que a temperatura aumenta, de forma coerente com uma reação direta exotérmica.

Concentração. Retirar o amoníaco à medida que se forma faz baixar $[\text{NH}_3]$, logo $Qc < K_c$ e o sistema evolui no sentido direto para o repor. Mantém-se assim a reação a "trabalhar".

Pratica★★☆Por começar
A síntese do amoníaco, $\text{N}2\ \text{(g)} + 3\ \text{H}2\ \text{(g)} \rightleftharpoons 2\ \text{NH}3\ \text{(g)}$, com $\Delta H = -92\ \text{kJ/mol}$, é a base do…

A síntese do amoníaco, $\text{N}_2\ \text{(g)} + 3\ \text{H}_2\ \text{(g)} \rightleftharpoons 2\ \text{NH}_3\ \text{(g)}$, com $\Delta H = -92\ \text{kJ/mol}$, é a base do processo industrial de Haber-Bosch, essencial à produção de adubos azotados. A tabela mostra a percentagem aproximada de amoníaco, em volume, na mistura em equilíbrio à pressão de 200 bar, para várias temperaturas.

Temperatura (°C) 200 300 400 500 600
NH₃ (% em volume) 85 62 38 18 8
  1. a) Descreve, com base na tabela, como varia a percentagem de amoníaco no equilíbrio quando a temperatura aumenta.
  2. b) Relaciona essa variação com o sinal de $\Delta H$, invocando o Princípio de Le Châtelier.
  3. c) Considerando apenas estes dados, indica qual das temperaturas da tabela daria o maior rendimento em amoníaco. Mesmo assim, a indústria trabalha a cerca de $450\ ^{\circ}\text{C}$: explica porquê, invocando a velocidade da reação.
Resolver

O conversor e o circuito industrial

Na indústria, o azoto vem do ar e o hidrogénio de outras matérias-primas. A mistura é comprimida a cerca de 250 bar, aquecida e enviada para o conversor, onde passa sobre o catalisador. À saída, a mistura está a uma temperatura elevada e contém $\text{NH}_3$, $\text{N}_2$ e $\text{H}_2$. Arrefece-se, e o amoníaco condensa (liquefaz a uma temperatura mais alta do que o azoto e o hidrogénio), sendo recolhido. Os gases que não reagiram são reencaminhados para a entrada do conversor e misturados com reagentes novos.

Esquema do processo de Haber-Bosch: N₂ e H₂ são comprimidos, passam no conversor com catalisador, o amoníaco é separado por arrefecimento e os gases que não reagiram regressam ao conversor. N₂ + H₂compressão Conversorcatalisador Fe Arrefecimentoe separação NH₃ líquido N₂ e H₂ que não reagiram (reciclagem)

Repara no efeito da reciclagem: a cada passagem converte-se só uma fração dos reagentes, mas, como o $\text{NH}_3$ é retirado e o resto regressa, o rendimento global aproxima-se de 100 %. A remoção contínua do produto mantém $Qc < K_c$ e o equilíbrio deslocado no sentido direto.

Pratica★★☆Por começar
No processo de Haber-Bosch, esquematizado na figura, a mistura de azoto e hidrogénio é comprimida a cerca de 250 bar e atravessa o conversor, onde se encontra o…

No processo de Haber-Bosch, esquematizado na figura, a mistura de azoto e hidrogénio é comprimida a cerca de 250 bar e atravessa o conversor, onde se encontra o catalisador; à saída, o amoníaco formado é separado dos gases que não reagiram.

N₂ + H₂ não reagidos N₂ + 3 H₂ conversor 250 bar catalisador de ferro separador NH₃ retirado
  1. a) Justifica, contando as quantidades de matéria dos gases (em moles) de cada lado da equação, por que razão a pressão elevada aumenta o rendimento em amoníaco.
  2. b) Explica, com o Princípio de Le Châtelier, por que razão o amoníaco é continuamente retirado do circuito.
  3. c) Indica para onde são encaminhados o azoto e o hidrogénio que não reagiram e explica a vantagem desse procedimento.
Resolver

Temperatura, catalisador e compromisso

Há um problema: o equilíbrio favorece o amoníaco a baixa temperatura, mas a baixa temperatura a reação é muito lenta, porque o azoto é pouco reativo. Por outro lado, a temperaturas muito altas a reação é rápida, mas o rendimento no equilíbrio é baixo (8 % a 600 °C, segundo a tabela). Escolhe-se então um compromisso: cerca de $450\ ^\circ\text{C}$.

O catalisador (ferro) resolve parte do problema: aumenta a velocidade das reações direta e inversa por igual, porque abre um caminho de reação com menor energia de ativação. Assim, o equilíbrio é atingido mais depressa, mas:

  • não altera $K_c$ (que só depende da temperatura);

  • não altera a posição do equilíbrio nem o rendimento no equilíbrio.

Condição Efeito no rendimento (equilíbrio) Efeito na velocidade Compromisso?
Pressão elevada (~250 bar) Aumenta Aumenta Sim: custo do equipamento e da energia de compressão
Temperatura ~450 °C Diminui (face a temperaturas mais baixas) Aumenta Sim: rendimento vs. velocidade
Catalisador de ferro Nenhum Aumenta Não
Pratica★★★Por começar
No conversor do processo de Haber-Bosch usa-se ferro como catalisador. a) Explica o papel do catalisador na velocidade da reação e indica, justificando, se a sua…

No conversor do processo de Haber-Bosch usa-se ferro como catalisador.

  1. a) Explica o papel do catalisador na velocidade da reação e indica, justificando, se a sua presença altera o valor de $K_c$ ou a posição do equilíbrio.
  2. b) Organiza num pequeno quadro as três condições industriais do processo — pressão elevada, temperatura de cerca de $450\ ^{\circ}\text{C}$ e catalisador de ferro —, indicando, para cada uma, o efeito no rendimento no equilíbrio, o efeito na velocidade da reação e se corresponde a uma situação de compromisso.
  3. c) A produção mundial de amoníaco consome cerca de $2\ \%$ da energia utilizada no planeta. Há fábricas a estudar obter o hidrogénio por eletrólise da água alimentada com eletricidade renovável («amoníaco verde»), em vez de o produzirem a partir do gás natural. Indica duas vantagens ambientais dessa mudança.
Resolver

Voltando ao início: o amoníaco que chega aos adubos é produzido a cerca de 450 °C, ~250 bar e com catalisador de ferro, retirando-se o produto e reciclando os reagentes. Cada escolha vem do Princípio de Le Châtelier ou da cinética, e o conjunto é um compromisso.

Em resumo

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