Produção da amônia

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
Explosivos
Fertilizantes
Criogenicos
Nitritos e
Nitratos
Nitrodopantes
Coloxilina
Piroxilina
Trinitro-
tolueno
Amonite
Anilina
Nitro-
benzeno
Fertilizantes
NPK
(Nilon e Kapron)
Poliacri-
lonitrilo
Carbonato
de amônia
Hexametile-
notetramina
Herbicidas
Hidrazina
Resinas uréia-
formaldeído
Ácido
cianúrico
Melamina
Fertilizantes
líquidos
Nitrato de
amônia
Fertilizante
fosfato de
amônia
Sulfato de
amônia
Fertilizante
NP
Polímeros
Explosivos
Criogenicos
Nitritos e
Nitratos
Nitrodopantes
Coloxilina
Piroxilina
Trinitro-
tolueno
Amonite
Anilina
Nitro-
benzeno
Fertilizantes
NPK
(Nilon e Kapron)
Poliacri-
lonitrilo
Carbonato
de amônia
Hexametile-
notetramina
Herbicidas
Hidrazina
Resinas uréia-
formaldeído
Ácido
cianúrico
Melamina
Fertilizantes
líquidos
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
(Nilon e Kapron)
Poliacri-
lonitrilo
Carbonato
de amônia
Hexametile-
notetramina
Herbicidas
Hidrazina
Resinas uréia-
formaldeído
Ácido
cianúrico
Melamina
Fertilizantes
líquidos
Nitrato de
amônia
Fertilizante
fosfato de
amônia
Sulfato de
amônia
Fertilizante
NP
Polímeros
(Nilon e Kapron)
Poliacri-
lonitrilo
Carbonato
de amônia
Hexametile-
notetramina
Herbicidas
Hidrazina
Resinas uréia-
formaldeído
Ácido
cianúrico
Melamina
Fertilizantes
líquidos
Nitrato de
amônia
Fertilizante
fosfato de
amônia
Sulfato de
amônia
Fertilizante
NP
Polímeros
Explosivos
Fertilizantes

AMÔNIA - NH3

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;

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;

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

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:

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 :

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

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”.

 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.

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;

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”

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 .

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.

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
aumentaro 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’’

 A foto mostra o primeiro
reator utilizado na
síntese de Haber-Bosch,
realizada em 1913 pela
Badische Anilinin und
Soda Fabrik (BASF).

“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”

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”

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;

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.
E
n
e
r
g
i
a
G

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

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 .

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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