El Amoniaco se caracteriza por ser un gas incoloro,
intensamente picante y tóxico en altos niveles de exposición. Se produce a
nivel mundial para su uso como fertilizante y como fuente primaria de nitrógeno
en la producción de muchas sustancias químicas.
Breve Historia
El amoniaco debe su nombre a los romanos, que lo encontraron
cerca del templo de Amón, en la actual población de Luxor, Egipto. Aquel
cristal blanco-grisáceo que los romanos llamaron “sal de Amón” era lo que hoy
conocemos como cloruro amónico.
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, lo cierto es que todos están basados en el proceso
Haber.
Métodos de Obtención
Método de 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, y desprende poco amoniaco, por lo que el procedimiento cayó en desuso.
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 con hidrógeno 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.La reacción química del proceso a partir del hidrógeno y el
nitrógeno gaseosos es exotérmica y reversible:
N2(g) + 3H2(g) <–> 2NH3(g)
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 suele
operar a presiones entre 200 y 700 atmósferas y alrededor de 500ºC.
* Efecto de la temperatura
Puesto que la reacción es exotérmica, 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.
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 H2 y 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
Al aumentar la presión se favorece la formación de NH3, que es
lo deseado. Ésa es la causa de que en el proceso de Haber se empleen presiones
tan elevadas. En concreto se emplean presiones que van desde las 200
atmósferas a las 1000 atmósferas. La utilización de presiones superiores está
limitada por el coste que representa utilizar recipientes que resistan
presiones tan elevadas.
* Rendimiento de la temperatura y
A 500-600ºC y unas 900 atm, la conversión de N2 y H2 en
amoniaco llega prácticamente a un 40%; pero sin catalizador se requerirían
meses para conseguir el estado de equilibrio. Al añadir el catalizador, se
consigue el mismo equilibrio en una fracción de segundo. A las presiones
empleadas, el amoniaco se separa como líquido de la mezcla gaseosa por
enfriamiento, mientras el nitrógeno y el hidrógeno, no condensables, que no han
reaccionado, vuelven nuevamente a los convertidores.
En la tabla siguiente se muestra el rendimiento de obtención
de amoniaco en función de la temperatura y la presión:
En esta tabla se observa que al aumentar la temperatura a
758ºC, la constante de equilibrio disminuye del orden de 10^10 veces. Si
bajásemos mucho la temperatura, el proceso seria lento, que no es rentable
industrialmente ni siquiera en presencia de catalizador. Por todo lo anterior
se observa que el proceso debe efectuarse alrededor de 500ºC y a la mayor
presión posible.
