Síntese de Amônia

Definição

A amônia é um dos produtos químicos orgânicos mais produzidos.

Combinação química de gases nitrogênio e hidrogênio a alta temperatura e pressão na presença de um catalisador para formar amônia.

Amônia (NH₃), incolor, o gás penetrante composto por azoto e hidrogênio.

É o composto estável mais simples desses elementos e serve como material de partida para a produção de muitos compostos nitrogenados comercialmente importantes.

O que é a síntese de amônia?

A síntese de amônia é a produção de amônia a partir da combinação de gases hidrogênio e nitrogênio.

A maior parte da amônia produzida é usada como fertilizante, embora possa ser usada para outros fins, como a fabricação de explosivos.

O processo foi desenvolvido na Alemanha no início dos anos 1900.

A atmosfera está cheia de gás nitrogênio, mas não é reativa e geralmente não combina com outros elementos.

A estratégia básica para a produção de amônia, o NH₃, é combinar o gás hidrogênio, H₂, com o gás nitrogênio, N₂, a alta temperatura e sob alta pressão. Quimicamente, essa é uma reação difícil, por isso requer um agente para acelerar o processo.

Um catalisador é um composto que faz a reação prosseguir mais rapidamente.

Na síntese de amônia, o catalisador usado é geralmente ferro. O tipo de ferro usado é o minério de magnetita reduzido.

Existem outros produtos químicos que podem ser usados como catalisadores, mas o ferro é o mais comum.

A fonte do gás hidrogênio é geralmente o gás natural, também conhecido como metano, CH₄.

Isso descreve o processo básico de síntese de amônia.

Muitas outras etapas ocorrem em uma planta de síntese de amônia.

Os compostos de enxofre são removidos primeiro do gás natural reagindo com óxido de zinco, que é transformado em sulfeto de zinco. Isso deixa o metano livre, que passa por várias outras transformações para gerar gás hidrogênio.

A temperatura utilizada é de cerca de 400°C.

A pressão usada é menor do que o ideal para a reação. Por razões de segurança, é utilizada pressão de cerca de 200 atmosferas (atm). O rendimento é de cerca de 10-20% sob essas condições.

À medida que a mistura sai do reator, é resfriada, para que a amônia se torne um líquido. O calor é capturado e reutilizado para aquecer os gases que entram.

Esse método de síntese de amônia é conhecido como processo de Haber, porque foi criado pelo químico alemão Fritz Haber, que desenvolveu as condições para a reação química.

Ele o desenvolveu durante uma escassez de fertilizantes contendo nitrogênio no início de 1900 e porque a Alemanha precisava de explosivos para a Primeira Guerra Mundial. Atualmente, a amônia é produzida em larga escala em todo o mundo.

Uma maneira alternativa de produzir o hidrogênio para a reação é através da eletrólise da água. A eletrólise usa eletricidade para decompor os compostos. Nesse caso, a água é decomposta em hidrogênio e oxigênio.

Isso foi feito em conjunto com a produção de eletricidade de usinas hidrelétricas. Já em 1911, a eletrólise da água tem sido usada para fornecer hidrogênio para a síntese de amônia.

Alguns microrganismos são capazes de usar gás nitrogênio do ar para produzir amônia. Esse processo é chamado de fixação de nitrogênio. Nesse caso, os catalisadores são enzimas complexas conhecidas como nitrogenases.

As bactérias que realizam esse processo vivem nas raízes das leguminosas, como as ervilhas. A fixação de nitrogênio melhorou significativamente o estado de nutrientes de muitos solos.

O Processo Haber

O processo Haber, também chamado de processo Haber-Bosch, é um processo de fixação artificial de nitrogênio e é o principal procedimento industrial para a produção de amônia atualmente.

É nomeado após seus inventores, os químicos alemães Fritz Haber e Carl Bosch, que o desenvolveram na primeira década do século XX.

O processo converte nitrogênio atmosférico ((N₂) em amônia (NH₃) por uma reação com hidrogênio (H₂) usando um catalisador de metal sob altas temperaturas e pressões:

N 2 + 3 H 2  2 NH 3 ? H ° = – 91,8 kJ / mol

Antes

Antes do desenvolvimento do processo Haber, a amônia era difícil de produzir em escala industrial, com métodos iniciais como o processo Birkeland – Eyde e o processo Frank – Caro, todos altamente ineficientes.

Embora o processo Haber seja usado principalmente para produzir fertilizantes hoje em dia, durante a Primeira Guerra Mundial, ele forneceu à Alemanha uma fonte de amônia para a produção de explosivos, compensando o bloqueio comercial das potências aliadas no salitre chileno.

A história do processo Haber

As indústrias de hoje usam o processo Haber para sintetizar amônia, mas ele não foi inventado até o início do século XX.

Em 1898, Sir William Cook, um químico britânico, previu que parte da humanidade poderia ser confrontada com a perspectiva de morrer de fome devido à falta de fertilizante nitrogenado para o crescimento das plantas.

Naquela época, quase todo o nitrogênio no solo, como nitrato, era fixado por centenas de anos por microorganismos, e esses solos orgânicos ricos estavam se esgotando rapidamente. Os países industrializados, como a Alemanha, já dependiam de esterco animal, como o guano da América do Sul, para produzir fertilizantes à base de nitrogênio.

Felizmente, em 1908, um químico alemão chamado Fritz Haber desenvolveu um método químico para produzir grandes quantidades de amônia, usando um processo que agora é conhecido como processo de Haber.

A amônia assim produzida pode ser facilmente convertida em fertilizantes à base de nitrogênio. A amônia também é usada na fabricação de explosivos e produtos de limpeza.

Usos de amônia

O principal uso de amônia é como fertilizante.

Geralmente é aplicado diretamente ao solo a partir de tanques que contêm o gás liquefeito.

A amônia também pode estar na forma de sais de amônio, como nitrato de amônio, NH₄NO₃, sulfato de amônio, (NH₄)₂SO₄₎ e vários fosfatos de amônio.

A uréia, (H₂N)₂C=O), é a fonte de nitrogênio mais comumente usada para fertilizantes em todo o mundo.

A amônia também é usada na fabricação de explosivos comerciais (por exemplo, trinitrotolueno [TNT], nitroglicerina e nitrocelulose).

Na indústria têxtil, a amônia é usada na fabricação de fibras sintéticas, como nylon e rayon. Além disso, é empregado no tingimento e lavagem de algodão, lã e seda.

A amônia serve como catalisador na produção de algumas resinas sintéticas.

Mais importante, neutraliza os subprodutos ácidos do refino de petróleo e, na indústria da borracha, evita a coagulação do látex bruto durante o transporte da plantação à fábrica.

A amônia também encontra aplicação no processo amônia-soda (também chamado de processo Solvay), um método amplamente usado para produzir cinzas de soda, e no processo Ostwald, um método para converter amônia em ácido nítrico.

A amônia é usada em vários processos metalúrgicos, incluindo a nitretação de chapas de liga para endurecer suas superfícies.

Como a amônia pode ser decomposta facilmente para produzir hidrogênio, é uma fonte portátil e conveniente de hidrogênio atômico para soldagem. Além disso, a amônia pode absorver quantidades substanciais de calor do ambiente (isto é, um grama de amônia absorve 327 calorias), o que a torna útil como refrigerante em equipamentos de refrigeração e ar condicionado.

Finalmente, entre seus pequenos usos está a inclusão em certos agentes de limpeza doméstica.

Nota-se que para a reação ocorrer é necessário 1L de N₂ e 3L de H₂ para formar 2L de NH₃ ( amônia)

Fonte: www.aiche.org/www.topsoe.com/www3.epa.gov/encyclopedia2.thefreedictionary.com/www.wisegeek.org/phys.org/web.wpi.edu/www.ncbi.nlm.nih.gov/www.ctc-n.org