Produccion industrial del amoniaco

En el año 1918, el químico alemán Fritz Haber (1868-1934) obtuvo el Premio Nobel de Química por sus investigaciones sobre la termodinámica de las reacciones gaseosas; estas investigaciones derivaron, en 1913, en el proceso de producción de amoniaco a escala industrial, que aún hoy se utiliza, y que lleva su nombre: proceso Haber. Aunque existen modificaciones posteriores de este método, locierto es que todos están basados en el proceso Haber.

El proceso permite comprender los factores cinéticos y termodinámicos que influyen en las velocidades de reacción y en la evolución de los equilibrios químicos. Esto y la abundancia del uso del amoniaco en la vida cotidiana y en otros muchos procesos, hacen que el proceso Haber combine muy bien la teoría con la utilidad práctica de la química.Puesto que el amoniaco es un compuesto muy utilizado como materia prima para la elaboración de tintes, plásticos, fertilizantes, fibras sintéticas y explosivos, durante la I Guerra Mundial se produjeron en los Estados Unidos grandes cantidades de amoniaco por el método de la cianamida. Cuando el carburo cálcico se calienta a 1100ºC en presencia de nitrógeno, se forma cianamida cálcica, CaCN2,que, tratada al vapor, desprende amoniaco. No obstante, la cianamida es un compuesto altamente tóxico, por lo que el procedimiento cayó en desuso y en la actualidad sólo se utiliza a nivel industrial el proceso Haber.

En el proceso Haber se obtiene nitrógeno gaseoso, N2, por licuefacción parcial del aire o haciéndolo pasar a través de coque al rojo. El nitrógeno así obtenido se mezcla conhidrógeno puro, conduciendo la mezcla a lo largo de unos tubos convertidores rellenos de una masa catalítica porosa, que generalmente está compuesta por óxidos de hierro y pequeñas cantidades de óxidos de potasio y aluminio.


Diagrama del proceso Haber para la producción de amoníaco. Fuente: Wikipedia
La reacción química del proceso a partir del hidrógeno y el nitrógeno gaseosos es exotérmica yreversible:

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) variación de entalpía negativa

Su Kc a 25ºC vale 3,6·10^8, este alto valor de la constante de equilibrio indica que, en el equilibrio, prácticamente todo el N2 y H2 se han convertido en NH3. Sin embargo, la reacción es tan lenta a 25ºC que no se producen cantidades detectables de NH3 en tiempos razonables. Por ello se sueleoperar a presiones entre 200 y 700 atmósferas y alrededor de 500ºC. El valor tan grande de Kc nos indica que, termodinámicamente, la reacción se produce hacia la derecha prácticamente en su totalidad, pero no indica nada sobre la velocidad a la que se desarrollará el proceso. Recordemos que una reacción química puede ser termodinámicamente muy favorable y, sin embargo, ser sumamente lenta.

EFECTODE LA TEMPERATURA EN LA FORMACIÓN DE AMONIACO
Puesto que la reacción es exotérmica, según el Principio de Le Chatelier, la formación de amoniaco se verá favorecida por una disminución de la temperatura. Sin embargo, la velocidad de una reacción química aumenta con la temperatura, en cualquiera de los dos sentidos; es decir, el factor cinético se favorece a elevadas temperaturas. A medida que latemperatura disminuye, la velocidad de la reacción se hace cada vez menor y, en consecuencia, la obtención del amoníaco no tendría interés en la práctica, ya que se tardaría mucho tiempo para conseguir una pequeña concentración de NH3.

Por tanto, aquí se presenta un dilema: si se aumenta la temperatura, se aumenta la velocidad de la reacción, pero entonces dentro del reactor hay mucho N2 y H2y poco NH3. Si se disminuye la temperatura, la reacción es lentísima. En la práctica, para resolver esta dificultad, se trabaja a una temperatura de 500-600ºC y se añade un catalizador (de platino, tungsteno u óxidos de hierro), para aumentar así la velocidad de la reacción química.

EFECTO DE LA PRESIÓN Y LOS CATALIZADORES EN LA PRODUCCIÓN DE AMONIACO
Sin embargo, incluso con ayuda de un...