3°aula produção da amônia
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QUÍMICA
E
PRODUÇÃO DA AMÔNIA
Química dos Elementos
Instituto de Química – UFG
Estágio docência – Fernanda de Sousa Fernandes
Pimentel
AMÔNIA - NH3
NH3
Composto básico dos produtos
nitrogenados usados na indústria e na
agricultura;
Produzida em grandes quantidades no mundo para uso como matéria prima
de vários fertilizantes;
Produção de explosivos, plásticos,
pigmentos;
Fernanda de S. F. Pimentel - Estágio docência - 2013
AMÔNIA - NH3
Criogenicos
Nitritos e
Nitratos
Nitrodopantes
Coloxilina
Piroxilina
Trinitro-
tolueno
Amonite
Anilina
Nitro-
benzeno
Fertilizantes
NPK
Poliuretanos Poliamidas
(Nilon e Kapron)
Poliacri-
lonitrilo
Carbonato
de amônia
Hexametile-
notetramina
Herbicidas
Hidrazina
Resinas uréia-
formaldeído
Ácido
cianúrico
Melamina
Fertilizantes
líquidos
Úréia Amônia Ácido nítrico
Nitrato de
amônia
Fertilizante
fosfato de
amônia
Sulfato de
amônia
Fertilizante
NP
Polímeros
Exp
losi
vos
Fertilizantes
Criogenicos
Nitritos e
Nitratos
Nitrodopantes
Coloxilina
Piroxilina
Trinitro-
tolueno
Amonite
Anilina
Nitro-
benzeno
Fertilizantes
NPK
Poliuretanos Poliamidas
(Nilon e Kapron)
Poliacri-
lonitrilo
Carbonato
de amônia
Hexametile-
notetramina
Herbicidas
Hidrazina
Resinas uréia-
formaldeído
Ácido
cianúrico
Melamina
Fertilizantes
líquidos
Úréia Amônia Ácido nítrico
Nitrato de
amônia
Fertilizante
fosfato de
amônia
Sulfato de
amônia
Fertilizante
NP
Polímeros
Exp
losi
vos
Criogenicos
Nitritos e
Nitratos
Nitrodopantes
Coloxilina
Piroxilina
Trinitro-
tolueno
Amonite
Anilina
Nitro-
benzeno
Fertilizantes
NPK
Poliuretanos Poliamidas
(Nilon e Kapron)
Poliacri-
lonitrilo
Carbonato
de amônia
Hexametile-
notetramina
Herbicidas
Hidrazina
Resinas uréia-
formaldeído
Ácido
cianúrico
Melamina
Fertilizantes
líquidos
Úréia Amônia Ácido nítrico
Nitrato de
amônia
Fertilizante
fosfato de
amônia
Sulfato de
amônia
Fertilizante
NP
Polímeros
Criogenicos
Nitritos e
Nitratos
Nitrodopantes
Coloxilina
Piroxilina
Trinitro-
tolueno
Amonite
Anilina
Nitro-
benzeno
Fertilizantes
NPK
Poliuretanos Poliamidas
(Nilon e Kapron)
Poliacri-
lonitrilo
Carbonato
de amônia
Hexametile-
notetramina
Herbicidas
Hidrazina
Resinas uréia-
formaldeído
Ácido
cianúrico
Melamina
Fertilizantes
líquidos
Úréia Amônia Ácido nítrico
Nitrato de
amônia
Fertilizante
fosfato de
amônia
Sulfato de
amônia
Fertilizante
NP
Polímeros
Poliuretanos Poliamidas
(Nilon e Kapron)
Poliacri-
lonitrilo
Carbonato
de amônia
Hexametile-
notetramina
Herbicidas
Hidrazina
Resinas uréia-
formaldeído
Ácido
cianúrico
Melamina
Fertilizantes
líquidos
Úréia Amônia Ácido nítrico
Nitrato de
amônia
Fertilizante
fosfato de
amônia
Sulfato de
amônia
Fertilizante
NP
Polímeros
Exp
losi
vos
Fertilizantes
Fernanda de S. F. Pimentel - Estágio docência - 2013
AMÔNIA - NH3
Fernanda de S. F. Pimentel - Estágio docência - 2013
AMÔNIA - NH3
A amônia (NH3) tem massa molar 17,03 g.mol-1, é
uma substância gasosa (T.F. -210 oC e T.E. -196 oC)
nas condições ambiente;
É incolor, tem odor pungente, é tóxico;
Apresenta geometria piramide trigonal, com uma
das posições ocupadas por um par não-ligante;
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AMÔNIA - NH3
O comprimento da ligação N-H é de 101,7 pm e
ângulo de ligação H-N-H de 106,7°;
A amônia é uma substância polar apresentando
μr 1,472 D;
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AMÔNIA - NH3
A ligação N-H é polarizada e possibilita a
formação ligações de hidrogênio intermoleculares,
fazendo com que a amônia seja bastante solúvel
em substâncias como a água;
pKb=4,75
Base fraca
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AMÔNIA - NH3
Os sais de amônio se decompões facilmente
quando aquecidos,
muitos deles liberando
a amônia:
NH4Cl (s) calor NH3(g) + HCl(g)
(NH4)2SO3 (s) calor NH3(g) + H2SO4(l)
Sais de amônio são solúveis em água e as
soluções dos sais são
fortemente ácidas:
Fernanda de S. F. Pimentel - Estágio docência - 2013
O NH4NO3 é usado
como fertilizante e é
um dos componentes
dos explosivos.
Quando aquecido ou
detonado, a decomposição
de 2 mol de NH4NO3(s)
produz 7 mol de
moléculas gasosas, que
correspondem a um
aumento de volume de
200cm3 para 140.000cm3,
ou seja, um fator de 700;
2NH4NO3 (s) 2N2(g) + 4H2O(g) + O2(g)
AMÔNIA - NH3
Tanto a água como a amônia sofrem reações de auto-
ionização :
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AMÔNIA - NH3
O NH3 pode ser preparada no laboratório aquecendo-
se um sal de amônio com uma base.
NH4Cl(aq) + NaOH(aq) NH3(g) + NaCl(aq) + H2O(l)
2 NH4Cl(s) + Ca(OH)2(s) CaCl2(aq) + 2NH3(g) + 2H2O (g)
Vídeo 1
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HISTÓRICO DA SÍNTESE DA AMÔNIA
Em 1898, previu-se uma catástrofe para a
humanidade “escassez de fertilizantes
nitrogenados”;
A aumento da população mundial de 1,6 bilhões de
pessoas em 1900 para os atuais 6 bilhões não teria
sido possível sem a “síntese da amônia”.
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HISTÓRICO DA SÍNTESE DA AMÔNIA
Fernanda de S. F. Pimentel - Estágio docência - 2013
HISTÓRICO DA SÍNTESE DA AMÔNIA
Carl Bosch (1864-1940) foi o engenheiro químico que desenvolveu os equipamentos necessários para a produção industrial de amônia. Em 1931 ele também recebe o Prêmio Nobel de Química, mas por suas pesquisas sobre reações a altas pressões.
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HISTÓRICO DA SÍNTESE DA AMÔNIA
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Até o séc. XX os compostos
nitrogenados conhecidos
baseavam-se em excrementos de aves marinhas
(guano) e de reservas
naturais de nitrato de sódio
(NaNO3) e potássio (KNO3);
No ano de 1900
verificou-se o eminente
esgotamento da reserva de
Nitrato de Sódio (Chile);
Os químicos pensaram
em transformar o nitrogênio atmosférico
em fertilizante
agrícola;
O nitrogênio é um composto
com baixa reatividade, o que tornou a
tarefa desafiadora;
HISTÓRICO DA SÍNTESE DA AMÔNIA
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PRINCÍPIOS DA PRODUÇÃO DE HABER
O processo de Haber-Bosh se baseia na seguinte
reação:
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) + 92kJ
“Haber usou os princípios de Le Chatelier para controlar
essa reação”
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PRINCÍPIOS DA PRODUÇÃO DE HABER
Para se conseguir um
rendimento maior é
necessário “mexer” no
equilíbrio(Termodinâmica)
e na velocidade (Cinética)
da reação;
Cinética (rapidez de
avanço da reação);
Termodinâmica – troca de energia envolvida na
reação química e energia necessária de fontes
externas como calor .
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PRINCÍPIO LE CHATELIER (1850 – 1936)
Como os equilíbrios são dinâmicos, alterando o
equilíbrio por adição ou remoção de um dos
reagentes, o valor de r varia e a composição
muda até que r seja igual a zero novamente.
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PRINCIPIO DE LE CHATELIER
Um equilíbrio em fase gás
responde à compressão
tendendo a reduzir ao
mínimo o efeito do aumento
da pressão.
N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3(g) + Calor
4 volumes 2 volumes
Haber compreendeu que para
aumentar o rendimento da
amônia, seria preciso conduzir
a síntese com gases
fortemente comprimidos, e
remover a amônia assim que
ela se formava.
“A remoção da amônia
provoca o aumento de sua
formação’’
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A foto mostra o primeiro
reator utilizado na
síntese de Haber-Bosch,
realizada em 1913 pela
Badische Anilinin und
Soda Fabrik (BASF).
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“Um dos reatores de alta pressão usados na síntese catalítica da amônia. O reator deve ser capaz de resistir a pressões superiores a 250. atm”
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ETAPAS CATALÍTICAS
Haber compreendeu que ele devia
conduzir a reação à menor
temperatura possível, para favorecem
a formação de produtos
“Entretanto, o N2 e o H2
combinam-se muito lentamente
em temperaturas baixas devido
principalmente a inércia do N2
e Haber resolveu esse problema
desenvolvendo um catalisador
apropriado”
“REAÇÃO EXOTÉRMICA”
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ETAPAS CATALÍTICAS
Um catalisador aumenta igualmente a velocidade em
ambos os sentidos da reação. Portanto, o equilíbrio
dinâmico não é afetado.
Um catalisador é uma
substância que aumenta a
velocidade de uma reação
química sem ser
consumido durante a
reação;
Ele não afeta a composição
de equilíbrio de uma
mistura de reação, e atua
fornecendo um caminho
mais rápido para o mesmo
destino;
Fernanda de S. F. Pimentel - Estágio docência - 2013
ETAPAS CATALÍTICAS
O ferro metálico, juntamente com pequenas
quantidades de alumina, sais de potássio e outros
promotores, é usado como catalisador.
A reação é realizada à
alta temperatura e na
presença do catalisador
para superar a inércia
cinética do N2, e a alta
pressão para superar o
efeito termodinâmico de
uma constante de
equilíbrio desfavorável na
temperatura de operação.
En
e
r
g
ia
G
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A etapa determinante da velocidade, sob
condições normais de
operação, é a dissociação do
N2 coordenado á superfície do catalisador.
Por causa da lentidão da
dissociação do N2 e da ação do catalisador, é
necessário realizar a síntese da amônia a
temperaturas elevadas,
geralmente a 400°C.
Entretanto, uma vez que a reação é exotérmica, a
alta temperatura reduz a constante de equilíbrio da
reação.
Por isso, empregadas pressões de
ordem de 100 atm para
favorecer a formação do
produto.
ETAPAS CATALÍTICAS
Fernanda de S. F. Pimentel - Estágio docência - 2013
ETAPAS CATALÍTICAS
Esta síntese via catálise heterogênea ocorre em
pelo menos cinco etapas:
1. As moléculas de N2 e H2 difundem da fase
gasosa para a superfície do catalisador;
2. As moléculas reagentes são adsorvidos na
superfície do catalisador;
3. A reação superficial acontece com a formação de complexos intermediários;
4. Os produtos são dessorvidos;
5. O produto (amônia) difunde da superfície do catalisador para a fase gasosa .
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RESUMO
Ferro metálico
SÍNTESE DA AMÔNIA
Para a produção da amônia, o nitrogênio é obtido do
ar atmosférico e o hidrogênio como resultado da
reação entre a água e o gás natural (reação de
reforma):
CH4(g) + H2O(g) →
CO(g) + 3H2(g)
“reação de reforma”
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OBRIGADA!!!!