Na prática, a reação é efetuada nas seguintes condições: pressão entre 300 e 400 atmosferas, temperatura de 450^{\circ} \mathrm{C} e emprego de ferro metálico como catalisador. Justifique por que essas condições são utilizadas industrialmente para a síntese de \mathrm{NH}_{3}.

Passo 1

O enunciado diz que, para sintetizar amônia industrialmente, usa-se pressão entre 300 e 400\\ \mathrm{atm}, temperatura de 450^\circ\mathrm{C} e ferro metálico como catalisador. A tarefa é justificar por que essas condições são empregadas industrialmente para obter \mathrm{NH_3}.
Informações dadas:
\text{pressão} = 300\text{–}400\\ \mathrm{atm}ã
\text{temperatura} = 450^\circ\mathrm{C}
\text{catalisador} = \text{ferro metálico}á
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 \mathrm{NH_3}.

Passo 2

Escrevendo a reação global e verificando a variação no número de mols de gás:
\mathrm{N_2} + 3\mathrm{H_2} \rightleftharpoons 2\mathrm{NH_3}
Contagem de mols gasosos:
  • reagentes: 1 + 3 = 4 mols de gás;
  • produtos: 2 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 ( \mathrm{NH_3}). Logo, aumentar a pressão favorece a formação de \mathrm{NH_3} 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 \mathrm{NH_3}).
  • 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: 300\text{–}400\\ \mathrm{atm} 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
\Delta H^\circ \approx -92,4\\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}.
  • 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 K e reduz o rendimento de \mathrm{NH_3} 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 450^\circ\mathrm{C}:
  • 450^\circ\mathrm{C} 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 K para uma reação exotérmica decresce com T. A equação de Van ’t Hoff
\frac{d\ln K}{dT} = \frac{\Delta H^\circ}{R T^2}
mostra isso: como \Delta H^\circ é negativo, d\ln K/dT é negativo — K cai com T. Mas a planta precisa de uma taxa de produção razoável, então opta-se por uma temperatura intermediária como 450^\circ\mathrm{C}.

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 K), apenas a velocidade com que o equilíbrio é alcançado.
  • A quebra da ligação tripla \mathrm{N\equiv N} é difícil (energia de ativação grande). O ferro facilita a adsorção e ativação de \mathrm{N_2} e \mathrm{H_2} na superfície, permitindo a formação de \mathrm{NH_3} 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 \mathrm{NH_3} (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 300\text{–}400\\ \mathrm{atm} é um compromisso técnico-econômico bem estabelecido.

Passo 8

Resumo da lógica de projeto (como você pode “justificar” na prova):
  • pressão alta \Rightarrow favorece o lado com menos mols gasosos \Rightarrow maior rendimento de \mathrm{NH_3};
  • temperatura moderadamente alta ( 450^\circ\mathrm{C}) \Rightarrow compromisso entre maior velocidade (cinética) e menor rendimento de equilíbrio (termodinâmica);
  • catalisador de ferro \Rightarrow aumenta muito a velocidade ao reduzir a barreira de ativação da dissociação de \mathrm{N_2}, sem alterar a posição de equilíbrio;
  • considerações econômicas/engenheirísticas (custo de vasos de pressão, energia, reciclagem, remoção de \mathrm{NH_3}) determinam os valores práticos 300\text{–}400\\ \mathrm{atm} e 450^\circ\mathrm{C}.

Resposta

Pressão alta ( 300\text{–}400\\ \mathrm{atm}) porque a reação consome 4 mols gasosos formando 2 mols, então aumento de pressão desloca o equilíbrio para a direita (mais \mathrm{NH_3}).
Temperatura intermediária ( 450^\circ\mathrm{C}) como compromisso: temperaturas maiores aumentam muito a velocidade (cinética) mas reduzem o rendimento de equilíbrio porque a reação é exotérmica ( \Delta H^\circ \approx -92,4\\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}); 450^\circ\mathrm{C} dá velocidade prática sem sacrificar demais o rendimento.
Catalisador de ferro porque reduz a energia de ativação (permite quebrar a forte ligação \mathrm{N\equiv N}), acelerando a atingimento do equilíbrio; ferro é eficaz, barato e estável o suficiente para uso industrial (com promotores para melhorar atividade).

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