Na prática, a reação é efetuada nas seguintes condições: pressão entre 300 e 400 atmosferas, temperatura de
e emprego de ferro metálico como catalisador. Justifique por que essas condições são utilizadas industrialmente para a síntese de
.
Passo 1
O enunciado diz que, para sintetizar amônia industrialmente, usa-se pressão entre
e
, temperatura de
e ferro metálico como catalisador. A tarefa é justificar por que essas condições são empregadas industrialmente para obter
.
Informações dadas:
O que o exercício pede:
- Explicar, passo a passo e de forma didática, as razões físicas/quinéticas/termodinâmicas e econômicas para a escolha dessas condições na síntese de
.
Passo 2
Escrevendo a reação global e verificando a variação no número de mols de gás:
Contagem de mols gasosos:
- reagentes:
mols de gás; - produtos:
mols de gás.
Por que isso importa: quando a pressão total do sistema aumenta, o princípio de Le Châtelier diz que o equilíbrio se desloca no sentido que reduz a pressão — ou seja, para o lado com menos mols de gás. Aqui, esse lado é o dos produtos (
). Logo, aumentar a pressão favorece a formação de
e aumenta o rendimento de equilíbrio por passagem do gás.
Passo 3
Efeito da pressão (continuação, com interpretação prática):
- Em teoria, quanto maior a pressão, maior o deslocamento para a direita (mais
). - Na prática, pressões muito elevadas aumentam muito o custo do equipamento (vasos, bombas, segurança) e o consumo energético. Por isso escolhe-se um valor alto, mas razoável:
é um compromisso entre aumento do rendimento por passagem e custo/segurança da planta. Pressões menores aumentariam demais a necessidade de reciclar gases, pressionando economicamente.
Passo 4
Efeito da temperatura: balanço entre termodinâmica e cinética.
- A reação é exotérmica. Valor padrão da entalpia (para a reação na forma escrita) é aproximadamente
- Pelo princípio de Le Châtelier: aquecer um sistema exotérmico favorece a reação endotérmica (a reação inversa), então aumentar a temperatura diminui a constante de equilíbrio
e reduz o rendimento de no equilíbrio. - Porém, pela cinética (Lei de Arrhenius), a velocidade de reação aumenta com a temperatura: mais moléculas têm energia suficiente para vencer a barreira de ativação, então a reação atinge o equilíbrio mais rapidamente.
- Portanto há um conflito: temperaturas baixas favorecem alto rendimento de equilíbrio, mas tornam a reação extremamente lenta (praticamente inútil industrialmente). Temperaturas muito altas dão boa velocidade, mas baixo rendimento de equilíbrio.
Passo 5
Por que escolher aproximadamente
:
-
é um ponto de compromisso: suficientemente alto para que a velocidade da reação seja praticável (taxas industriais úteis), mas não tão alta que o equilíbrio fique fortemente deslocado para a esquerda. - Em termos qualitativos, a constante de equilíbrio
para uma reação exotérmica decresce com . A equação de Van ’t Hoff
mostra isso: como
é negativo,
é negativo —
cai com
. Mas a planta precisa de uma taxa de produção razoável, então opta-se por uma temperatura intermediária como
.
Passo 6
Papel do catalisador (ferro metálico) explicado passo a passo:
- Um catalisador acelera a rapidez com que o sistema atinge o equilíbrio reduzindo a energia de ativação da reação. Ele não muda a posição de equilíbrio (não altera
), apenas a velocidade com que o equilíbrio é alcançado. - A quebra da ligação tripla
é difícil (energia de ativação grande). O ferro facilita a adsorção e ativação de e na superfície, permitindo a formação de a temperaturas industriais. - Ferro é usado porque é barato, abundante, relativamente ativo quando promovido (com aditivos como óxidos de potássio e alumínio) e tem resistência razoável sob as condições operacionais. Catalisadores mais ativos (ex.: rutênio) existem, mas são muito caros para uso em larga escala.
Passo 7
Outros aspectos práticos e configuração da planta que reforçam essas escolhas:
- Remoção contínua de
(por condensação ao resfriar os gases) desloca o equilíbrio para a direita, melhorando a conversão efetiva por passagem. Isso é usado junto com alta pressão para aumentar rendimento. - Há também necessidade de reciclar os gases não convertidos; pressões muito baixas aumentam o fluxo de reciclagem e o custo energético.
- Material de construção, segurança e custo energético limitam a pressão máxima prática; por isso o intervalo
é um compromisso técnico-econômico bem estabelecido.
Passo 8
Resumo da lógica de projeto (como você pode “justificar” na prova):
- pressão alta
favorece o lado com menos mols gasosos maior rendimento de ; - temperatura moderadamente alta (
) compromisso entre maior velocidade (cinética) e menor rendimento de equilíbrio (termodinâmica); - catalisador de ferro
aumenta muito a velocidade ao reduzir a barreira de ativação da dissociação de , sem alterar a posição de equilíbrio; - considerações econômicas/engenheirísticas (custo de vasos de pressão, energia, reciclagem, remoção de
) determinam os valores práticos e .
Resposta
Pressão alta (
) porque a reação consome
mols gasosos formando
mols, então aumento de pressão desloca o equilíbrio para a direita (mais
).
Temperatura intermediária ( ) como compromisso: temperaturas maiores aumentam muito a velocidade (cinética) mas reduzem o rendimento de equilíbrio porque a reação é exotérmica (
);
dá velocidade prática sem sacrificar demais o rendimento.
Catalisador de ferro porque reduz a energia de ativação (permite quebrar a forte ligação ), acelerando a atingimento do equilíbrio; ferro é eficaz, barato e estável o suficiente para uso industrial (com promotores para melhorar atividade).
Temperatura intermediária (
Catalisador de ferro porque reduz a energia de ativação (permite quebrar a forte ligação