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

Reazione di Haber-Bosch

Una delle reazioni più importanti tra quelle messe a punto dai chimici nel secolo scorso è la sintesi dell’ammoniaca. L'ampia diffusione dell’ammoniaca è correlata alla sua semplice produzione, la quale però è stata possibile solo dopo anni di studi. La reazione di sintesi a partire dai due elementi che la compongono, ovvero l'idrogeno e l'azoto, rappresenta senz’altro il modo più conveniente per produrre questa sostanza, data la grande disponibilità sia di azoto, presente in abbondanza nell’aria, e la possibilità di ottenere idrogeno attraverso diversi metodi.

La sua sintesi è frutto di un’applicazione del Principio di Le Chatelier, ottenuta dopo diversi tentativi dal chimico tedesco Fritz Haber, che per questa scoperta ricevette nel 1918 il premio Nobel per la Chimica. La reazione è dunque una sintesi, che porta 1 mole di azoto molecolare (N₂) a reagire con 3 moli di idrogeno molecolare (H₂) per ottenere 2 moli di ammoniaca.

N₂(g) + 3 H₂(g) ⇆ 2 NH₃(g) ΔH= -22 kcal

Caratteristiche della reazione

Questa reazione è esoterma, ovvero libera energia nell’ambiente e di conseguenza dovrebbe risultare, in teoria, favorita dal punto di vista termodinamico. La peculiarità di questa reazione sta nel fatto che essa non avviene a temperatura ambiente (25°C) e a pressione atmosferica (1 atm) standard, in quanto in queste condizioni la velocità della reazione è praticamente nulla.

A temperatura ambiente il valore della costante è molto alto e ciò farebbe pensare che i reagenti, mescolati nei giusti rapporti stechiometrici, reagiscano quasi completamente. Nella realtà non è così: se si immettono questi due gas in un recipiente chiuso, non si rileva presenza di ammoniaca, neanche dopo mesi o addirittura anni! Ciò è dovuto al fatto che a questa temperatura la velocità della reazione è talmente bassa che, in pratica, la reazione non parte neppure.

Accelerare la reazione

Per aumentare la velocità della reazione si può allora innalzare la temperatura, ma dato che la reazione diretta è esotermica, ciò in teoria dovrebbe far spostare l’equilibrio a sinistra, favorendo dunque la produzione di azoto e di idrogeno molecolare, sfavorendo quella di ammoniaca. 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 una 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.

Struttura molecolare dell'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 un’elevata stabilità ed è quindi molto difficile fissare.