Exercícios: O processo de Haber-Bosch

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.

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.

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.

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.