Processo di Haber Bosh, approfondimento per esame di chimica Sapienza Roma

In altre parole, aumentando la temperatura si raggiunge più rapidamente

l’equilibrio, dunque si aumenta la velocità di reazione, tuttavia la

percentuale di prodotto diventa molto piccola, cioè la resa è troppo bassa.

Per aumentare ancora la velocità del processo, Haber riuscì a mettere a punto

un catalizzatore specifico e anche relativamente economico: il ferro.

Un catalizzatore in un reazione chimica non modifica i valori della costante

di equilibrio, ma interviene soltanto modificando la velocità di tale reazione.

Furono quindi realizzate sottili reticelle di questo metallo, insieme a tracce

di ossidi di ferro e di potassio, e con esse furono ricoperte le pareti interne

del reattore in cui avveniva la reazione tra idrogeno e azoto.

Per spiegare come questo sia possibile dobbiamo prendere in considerazione

la struttura molecolare dell'’azoto atmosferico.

L'azoto si presenta in natura allo stato gassoso, formato da molecole

biatomiche N2. La sua inerzia chimica è legata alla forza del triplo legame

presente tra i due atomi. Infatti dei 10 elettroni di valenza, 6 sono impiegati

nella formazione di tale legame, gli altri 4 invece formano coppie solitarie.

Pertanto la dissociazione della molecola di azoto richiede una notevole spesa

energetica, ed è per questo che l'azoto è una molecola poco reattiva a

condizioni standard. Essa presenta una elevata stabilità ed è quindi molto

difficile fissarla in altre molecole.

Lo studio cinetico della sintesi dell’ammoniaca ha permesso di accertare che

un passaggio decisivo del meccanismo di reazione è costituito dalla rottura

dei legami tra gli atomi nella molecola di azoto. Il catalizzatore interviene

proprio in questa fase: esso trattiene (o adsorbe) sulla sua superficie le

molecole di N2 e rende possibile la loro dissociazione in atomi, così come

quella delle molecole di H2. La durata del contatto fra catalizzatore e gas è

dell’ordine dei 30s e si forma circa l’8% di ammoniaca, che si separa dai gas

che non hanno reagito per raffreddamento.

Gli atomi liberi possono reagire così più rapidamente per formare le

molecole di NH3 che non vengono trattenute dagli atomi di ferro e che si

staccano dalla superficie. In questo modo i centri attivi del catalizzatore si

rendono liberi per adsorbire altre molecole di azoto e di idrogeno.

Nel processo di sintesi dell’ammoniaca così catalizzato, la reazione

raggiunge l’equilibrio in minor tempo.

Tuttavia veniva però accelerata anche la reazione inversa, ovvero la reazione

endotermica che è favorita dall'aumento della temperatura.

⇆

2 NH (g ) N (g ) + 3 H (g )

3 2 2

Ovviamente la reazione inversa consiste nella produzione di azoto e di

idrogeno gassoso a discapito dell'ammoniaca.

Ma Haber riuscì a migliorare ancora il rendimento economico del processo

per altra via. Un passo decisivo per la definitiva messa a punto del processo

fu compiuto infatti quando, con l’apporto fondamentale dell’ingegnere

chimico tedesco Carl Bosch, si riuscì a costruire un impianto in grado di

reggere pressioni elevate.

Haber infatti sapeva che in questo modo, sulla base del principio di Le

Châtelier, ad un aumento della pressione esterna corrisponde una

diminuzione del volume interno, dunque l'equilibrio della reazione di sintesi

dell’ammoniaca si spostava nella direzione in cui venivano prodotte il minor

numero di molecole, cioè a destra.

Si riuscì così ad aumentare moltissimo la resa della reazione: infatti,

operando alla pressione di 300 bar, si trasformava in ammoniaca più del

30% dei reagenti.

Come funziona l'impianto :

Dopo essere filtrato dalle impurità, l’azoto preso dall’aria fluisce in un tubo.

Il gas di idrogeno viene iniettato da un altro tubo e miscelato all’azoto.

La miscela di gas viene dapprima introdotta in un Convertitore. Nel

convertitore è presente il catalizzatore, ossia della polvere di ferro e altri

ossidi metallici che velocizzano la conversione del gas in ammoniaca.

La miscela di gas caldi viene inviata alla seconda camera il Condensatore,

questa camera è riempita d’acqua, che raffredda il gas di ammoniaca

facendolo condensare, cioè l'ammoniaca passa dallo stato gassoso a quello

liquido.

Dal condensatore l'ammoniaca liquida scende in una ulteriore camera di

Immagazzinamento dove continua il processo di raffredamento a -33°C, che

corrisponde alla temperatura di condensazione dell'ammoniaca. Qui

l'ammoniaca viene finalmente estratta per la successiva lavorazione. Per

ottenere una buona resa occorre infatti rimuovere continuamente, per

liquefazione l'ammoniaca prodotta.

Dal Condensatore si diramano sia questa camera dove avviene

l'immagazzinamento, che quella dove avvine il Ricircolo.

Nel Ricircolo vengono indirizzati l'azoto e l'idrogeno gassoso che non hanno

reagito, tale miscela gassoso viene inviata prima in un Compressore e poi

torna al Reattore. Così le molecole di igrogeno e di azoto che non hanno

reagito restano in fase gassosa e possono essere riutilizzate per una nuova

sintesi.

La resa è praticamente del 100%.

Storia di Haber ed impieghi dell'ammoniaca :

La bravura di Haber fu quella di trovare il giusto compromesso fra

temperatura e pressione, brevettando un processo di sintesi dell’ammoniaca

che lo rese molto ricco e famoso. Carl Bosh si occupò invece di promuovere

il processo su scala industriale e di ottennere i brevetti.

Fu così possibile realizzare il primo grande impianto per la produzione

chimica su larga scala dell’ammoniaca, una materia prima fondamentale e

una delle sostanze prodotte in maggiore quantità nel mondo.

Infatti l'ammoniaca viene utilizzata per produrre fertilizzanti come il nitrato

di sodio (NaNO ) ed Il solfato di ammonio (NH4)2SO4 (aq) e l'ammonio

3

fosfato . Queste molecole sono state il motivo iniziale per cui molti chimici

come Haber si sono interessati a questa sintesi, in quanto molto utilizzate già

nell’800.

Questo processo rappresenta oggi praticamente l’unica fonte di ammoniaca

prodotta nel mondo. Esso costituisce anche un modo intelligente di sfruttare

una risorsa pressoché illimitata, cioè l’azoto dell’aria, per riuscire ad

aumentare, attraverso l’uso di fertilizzanti azotati, la produttività dei terreni

agricoli per soddisfare così i bisogni alimentari.

Haber nacque a Wroclaw ed era figlio di un commerciante ebreo tedesco. I

suoi studi sulla sintesi dell'ammoniaca iniziarono nel 1904. Unendo i suoi

studi scientifici con lo sviluppo della tecnologia nel 1914 riuscì a mettere

appunto il processo che porta il suo nome.

Purtroppo la storia di Haber e dell’invenzione della sintesi dell’ammoniaca

sono intrecciate con la storia tedesca della prima parte del XX secolo. A

partire dall’ammoniaca si possono ottenere esplosivi come

l’ammonionitrato (NH NO ) e la nitroglicerina ( C H (ONO ) ) che hanno

4 3 3 5 2 3

permesso alla Germania di essere protagonista durante la Prima Guerra

Mondiale. Sempre durante questo conflitto, il governo chiese addirittura ad

Haber di sviluppare armi chimiche da usare sul campo di battaglia.

Come già detto prima l'ammoniaca oltre ad essere utilizzata come

fertilizzante, è molto usata anche come prodotti domestici. In questi prodotti

agisce come base poco costasa che produce OH(aq), lo ione reagisce con i

grassi e le molecole d'olio convertendoli in composti più solubili in acqua.

Inoltre altra caratteristica importante dell'ammoniaca è che essa evapora

molto facilmente in soluzione acquosa, senza lasciare tracce.

Un altro composto interesante dell'ammoniaca è il cloruro di ammonio, che

viene usato nella fabbricazione delle pile a secco.

Il nitrato di ammonio invece è usato sia come fertilizzante che come

esplosivo.

L’ammoniaca è un composto estremamente importante in campo industriale

e ha moltissimi altri utilizzi tra cui:

Per ottenere rayon o urea

·0 Per ottenere l’acido nitrico

·1 Per ottenere il carbonato di sodio

·2 Come refrigerante

·3 Per la produzione di esplosivi quali tra i più noti l'idrazina e

·4 l'idrossilammina. Queste sono basi deboli che bruciano liberando

grosse quantità di calore. Vengono infatti anche impiegate

comecombustibile per razzi

Nelle tinture per capelli

·5

La struttura della molecola di ammoniaca:

La molecola dell'ammoniaca presenta una geometria molecolare trigonale

piramidale, con angoli di legame di 109,5°. Al centro della molecola si trova

l'atomo di azoto e ai vertici i tre atomi di idrogeno.

Si deve così ammettere la formazione nell'azoto di quattro orbitali ibridi

3

equivalenti sp , di cui i tre elettroni descritti dagli orbitali p sono utilizzati

per i legami con l'idrogeno, ed il 2s2 ospita il doppietto elettronico solitario

dell'azoto. Grazie a tale doppietto elettronico l’ammoniaca è una base

secondo Bronsted-Lowry e dà luogo in acqua a soluzioni basiche. La

geometria dei gruppi di elettroni è dunque tetraedica.

L'ammoniaca è dal punto di vista chimico il principale idruro dell'azoto, è

una specie chimica gassosa che a pressione atmosferica liquefa a -33.42°C e

solidifica a -77.74°C. E' termodicamente stabile ed è molto solubile in

acqua. In commercio l'ammoniaca si trova o liquefatta in bomole di acciaio

oppure in soluzione acquosa.

Le sue proprietà chimiche e la sua somiglianza con l'acqua:

L'ammoniaca liquida è incolore ed è dissiociata in piccolissima parte con

meccanismo analogo a quello dell'acqua (autoprotolisi).

L'ammoniaca presente dunque caratteristiche simili all'acqua, inoltre tra le

molecole che la costituiscono in fase liquida, si formano vari legami a

idrogeno tra gli atomi di azoto di una molecola e quelli di idrogeno

dell'altra.

Una proprietà assolutamente caratteristica dell'ammoniaca è quella di

sciogliere i metalli del 1° e del 2° gruppo formando soluzioni blu se diluite e

color bronzo se concentrate; le prime hanno conducibilità elettriche

dell'ordine di grandezza di quelle delle soluzioni elettrolitiche, le seconde

dell'ordine di grandezza di quelle dei metalli. Da ambedue le soluzioni si

riottiene, per evaporizzazione dell'NH3 il metallo inalterato. Le soluzioni di

metalli alcalini in ammoniaca liquida hanno fortissime proprietà riducenti.

Altre reazioni dell'ammoniaca:

L’ammoniaca è un composto stabile e si d