O Amoníaco Como Matéria Prima
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2. Caractersticas das reaes qumicas
1. A indstria do amonaco
3. O controlo das reaes Qumicas
Unidade 1 - Qumica e Indstria: equilbrios e desequilbrios
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1. A gua na Terra
2. Acidez e basicidade das guas
Unidade 2 - Da atmosfera ao Oceano: solues na Terra e para a Terra
azul, a Terra azul!...exclamou Yuri Gagarin, o
primeiro astronauta, ao observar o nosso planeta da sua nave
espacial em 12 de Abril de 1961.
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4. Mineralizao e desmineralizao das guas
3. Chuva cida
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Unidade 1 - Qumica e Indstria: equilbrios e desequilbrios
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O que a indstria qumica?
A indstria qumica uma atividade econmica que, a partir de
matrias-primas, produz novas substncias atravs de reaes
qumicas.
Matrias
primas
Produtos
intermedirios
Produtos
finais
Por exemplo:
Hidrocarbonetos
gua
Ar atmosfrico Amonaco
AdubosPor exemplo:
N2 e H2
Consumidor
A indstria qumica pretende fabricar um produto a preo
to baixo quanto possvel, mas respeitando as imposies de
segurana e de proteo ambiental
-
Caractersticas:
temperatura ambiente e presso normal umgs txico, incolor e inflamvel, com cheiro
caracterstico picante e intenso.
presso normal o seu ponto de fuso de-78 C e o seu ponto de ebulio de -33 C.
altamente solvel em gua: 1 L de gualquida dissolve 727 L de amonaco gasoso,
dando origem ao io amnio(NH4+)
O amonaco
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AMONACO
Indstria de
fertilizantes
Indstria de
Explosivos
Produo de
cido Ntrico
Indstria dos
Plsticos
Artigos
de
limpeza
Aplicaes do amonaco
-
Em
qumica
diz-sepuro em mistura como reagente
Na
indstria
diz-seestreme em preparado como matria - prima
Aplicaes
Fertilizante
(aplicado
diretamente no
solo)
Produtos de limpeza
(detergentes
amoniacais, solues de
limpeza para a indstria)
Fertilizantes
(nitrato de amnio,
sulfato de amnio,
ureia, etc.)
Tratamento de
guas
(neutralizao
de guas
residuais)
Fluido refrigerante
(em sistemas de
refrigerao para
indstrias alimentares)
Fibras e plsticos
(nylon, poliuretano,
resinas, etc.)
cido ntrico (usado
no tratamento de
metais, fabrico de
tintas e corantes,
explosivos, etc.)
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Frmula de estrutura:
|H
H N H- -
Frmula molecular: NH3
3 ligaes covalentes simples, porque h partilha de
1 par de eletres em cada ligao.
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1 par de eletres no
ligantes no tomo de
azoto conduz
geometria piramidal
trigonal da molcula.
GEOMETRIA MOLECULAR
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Porque razo se usa o amonaco como fertilizante?
O elemento azoto, N, muito importante para a vida vegetal
Os elementos :
azoto, N
fsforo, P
potssio, K
so dos mais importantes
para a nutrio das plantas
so os que primeiro se
esgotam com a
explorao agrcola dos
solos
Os adubos contm estes trs elementos:
adubos simples : contm apenas N, ou K, ou P
adubos compostos: podem ser: NP, NK, PK ou NPK
Os adubos azotados fabricam-se a partir do amonaco
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Sntese do amonaco
No sculo XIX, o azoto era obtido a partir
dos depsitos naturais de Nitratos do
Chile (nitratos de sdio) e de Guano do
Chile (excrementos de aves marinhas
ricos em compostos de azoto).
No incio do sc. XX esses depsitos revelaram-seinsuficientes, dada a crescente necessidade de compostosde azoto em todo o mundo.
Escassez de
adubos naturais
Mtodos de sntese de NH3dispendiosos que consumiam muita
energia e usavam matrias - primas
caras e pouco abundantes
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Obter compostos de azoto a partir do azoto
atmosfrico tornou-se um dos principais desafios da
investigao qumica!
O qumico Fritz Haber e o eng. qumico Carl Bosch destacaram-
se nesta corrida.
Haber
Prmio Nobel da Qumica em 1918
Bosch
Prmio Nobel da Qumica em 1931
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Em 1908, Fritz Haber conseguiu produzir 100 cm3 de
amonaco por hora.
Haber e Bosch tiveram o mrito de desenvolver a produo
industrial do amonaco com base no azoto existente na
atmosfera.
Aparelho de laboratrio utilizado por Fritz Haber para sintetizar o
amonaco em 1908. Fotografia tirada em julho de 2009 no Museu
Judaico de Berlim.
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Bosch otimizou e deu dimenso industrial ao prottipo de
Haber ao desenvolver processos de alta presso.
Durante anos estudaram as melhores condies de
temperatura e presso para a reao de sntese do
amonaco.
A soluo para a eficincia industrial deste processo de
produo acabaria por envolver o uso de catalisadores.
Em 1913 comeou a laborar a 1 fbrica de produo de
amonaco baseada no processo de Haber. A produo era
de 30 toneladas por dia, um valor que hoje modesto
mas que na altura se poderia considerar extraordinrio.
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Matrias-primas para a sntese do amonaco
Azoto
Diazoto
N2(g)Destilao fracionada do ar lquido
Atmosfera
Dioxignio
O2(g)+
p.e. = -196 C p.e. = -183 C
Sociedade Portuguesa de Ar Lquido (Estarreja)
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Hidrognio
C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g)
CH4(g) + H2O(g) CO (g) + 3 H2(g)
Eletrlise (3%)
Processo menos
econmico; produz
H2 mais puro
Processo mais antigo
Atualmente utilizam-se processos petroqumicos (77%)
que partem do hidrocarbonetos(principalmente metano)
e resduos de petrleo (nafta).
H2O
..
H2O
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Processo de Haber - Bosch
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O azoto e o hidrognio que no reagiram so novamente
introduzidos na cmara de reao atravs de uma bomba de
reciclagem.
O hidrognio e o azoto entram num compressor onde so
sujeitos a uma presso elevada ( 20 MPa).
Em seguida, passam para a cmara de reao ( tambm
chamada reator ou conversor), onde, a temperaturas
elevadas (450 C) e na presena de um catalisador ( ferro em
p), se processa a reao entre o azoto e o hidrognio.
Como esta reao no completa, ficam ainda por reagir
grandes quantidades de azoto e hidrognio.
Assim, da cmara de reao sai uma mistura de amonaco
com azoto e hidrognio. Esta mistura entra no condensador,
onde o amonaco se liquefaz ( ponto de liquefao = - 33C) e
recolhido.
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Reao direta e reao inversa
N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
Reao de sntese - ocorre quando duas ou mais
substncias se combinam para formar uma nova substncia.
2NH3 (g) N2 (g) + 3 H2 (g)
Reao de decomposio - ocorre quando uma substncia se
decompe em substncias mais simples.
A reao de decomposio corresponde reao inversa
da sua sntese.
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Reao completa e incompleta
Exemplo: combusto do magnsio em sistema aberto
Uma reao diz-se completa quando pelo menos um dos
reagentes se esgota ou atinge uma concentrao no
mensurvel.
2 Mg (s) + O2 (g) 2 MgO (s)
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Uma reao diz-se incompleta quando nenhum dos reagentes
se esgota no decorrer da reaco.
Exemplo: formao do amonaco
N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
N2(g)
H2(g)
Inicialmente H2(g)
NH3(g)N2(g)
No final
Antes dos reagentes se esgotarem, o produto da reao
(NH3) entretanto formado pode decompor-se, originando N2 e
H2. Ocorre ento a reao inversa, reao de decomposio
do NH3.
Para qualquer transformao incompleta, existe a
respetiva reao inversa.
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Exerccio 1
O amonaco pode ser preparado laboratorialmente atravs da reao
qumica entre cloreto de amnio e xido de clcio, de acordo com:
a) Identifica os reagentes e os produtos da reao, atribuindo-lhes os
respetivos nomes.
b) Acerta esta equao.
CaO(s) + NH4Cl(s) NH3(g) + CaCl2(s) + H2O(g)
Resoluo:
a) Reagentes: NH4Cl (cloreto de amnio) e CaO (xido de clcio) slidos.
Produtos da reao: CaCl2 (cloreto de clcio) slido; e NH3 (amonaco) e
H2O (gua) gasosos
b) CaO(s) + 2 NH4Cl(s) 2 NH3(g) + CaCl2(s) + H2O(g)
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O amonaco uma matria-prima importante usada em diversasindstrias.Das proposies seguintes indica as falsas:
A - O azoto, N2 e o hidrognio, H2, so matrias-primas utilizadas naproduo industrial do amonaco.
B - O azoto, N2 , obtido por destilao fracionada do ar lquido utilizadocomo matria-prima na sntese do amonaco pelo processo de Haber.
C - O processo atual de obteno industrial do hidrognio a partir daeletrlise da gua.
D - A reao qumica de produo do amonaco completa.
E - A reao de decomposio do amonaco inversa da reao desntese do amonaco.
Soluo: C e D
Exerccio 2
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CLCULOS ESTEQUIOMTRICOS
Quando uma molcula de CH4 e uma molcula de H2O
reagem, formam-se uma molcula de CO e 3 molculas de
H2.
CH4 (g) + H2O (g) CO (g) + 3H2 (g)
Usando quantidades de matria, podemos ler a equao:
Uma mol de molculas de metano, no estado gasoso,
reage com uma mol de molculas de vapor de gua,
originando uma mol de molculas de monxido de
carbono, no estado gasoso e 3 mol de molculas de
hidrognio, no estado gasoso.
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O nmero de moles de cada espcie , pela ordem indicada,
1,1,1,3. Os nmeros so os coeficientes estequiomtricos e
indicam a proporo com que as espcies qumicas reagem e
se formam. Estes coeficientes permitem definir a
estequiometria da reao.
A estequiometria da reao d a proporo de cada
espcie numa reao qumica.
Podemos tambm fazer a leitura em massa:
Se reagirem 16 g de CH4, no estado gasoso, consomem-
-se 18 g de vapor de gua, produzindo-se 28 g de CO e
6 g de H2, ambos no estado gasoso.
m = n x M
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As relaes estabelecidas com base nas equaes qumicas
(em quantidade de matria, em massa ou em volume de
gases) permitem realizar os chamados clculos
estequiomtricos.
Tambm podemos ler a equao qumica usando o volume dos
gases, em condies PTN:
Se reagirem 22,4 L de CH4, gasoso, com 22,4 L de vapor de
gua, formam-se 22,4 L de CO gasoso e 67,2 L de
hidrognio, tambm gasoso.
V = n x Vm
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Na sntese do amonaco:
N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
N de
entidades
estruturais
6,02x1023
molculas
de N2
Reagem
com
1,81x1024
molculas
de H2
originando
1,20x1024
molculas
de NH3
Quantidade
de matria
1 mol de
molculas
de N2
Reagem
com
3 mol de
molculas
de H2
originando
2 mol de
molculas
de NH3
Massa 28,0 g de N2Reagem
com 6,0 g de H2 originando
34,0 g de
NH3
Volume de
gases (PTN)
22,4 dm3
de N2
Reagem
com
67,2 dm3
de H2originando
44,8 dm3
de NH3
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O nitrato de potssio (KNO3) amplamente utilizado como fertilizante. A
equao qumica que traduz a reao de sntese deste sal a seguinte:
4 KCl (s) + 4 HNO3 ( l) + O2 (g) 4 KNO3 (s) + 2 Cl2 (g) + 2 H2O (l)
Considera esta reao completa.
a) Determina a quantidade de oxignio necessria para obter uma mole de
fertilizante.
b) Determina o volume de cloro que se pode obter a partir de 200 dm3 de
oxignio.
c) Calcula a massa de cido ntrico necessria para produzir um saco com
50 kg de fertilizante.
d) Determina a massa de cloreto de potssio necessria para reagir com
750 dm3 de oxignio.
Exerccio 3
R: a) 0,25 mol; b) 400 dm3 ; c) 31 kg ; d) 9,98 kg
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Rendimento de uma reao qumica
Para apurar a maior ou menor converso de reagentes em produtos
podemos usar a noo de rendimento da reao.
Mesmo que todos os reagentes, numa reao qumica, estejam na
proporo estequiomtrica, a reao pode ter um rendimento inferior a
100%.
Podemos definir rendimento de uma reao como:
-
Em vez de quantidade de matria, podemos tambm usar a
massa ou o volume de gases em condies PTN.
O facto de haver reaes incompletas importante para
estabelecer a eficincia na produo industrial, mas existem
outros fatores que condicionam o rendimento global da
produo:
existncia de reaes secundrias (envolvendo pelo menosum dos reagentes, que assim se gasta sem dar origem ao
produto em que estamos interessados);
dificuldade de extrao/ separao dos produtos a partir domeio reacional;
o grau de pureza das matrias-primas utilizadas.
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Velocidade de uma reao e rendimento
O aumento da
velocidade da reao
implica apenas a
diminuio do intervalo
de tempo necessrio
para se obter a mesma
quantidade de produto.
No h aumento da
quantidade obtida e,
consequentemente,
aumento de rendimento
da reao, para se obter
a mesma quantidade de
produto.
-
A reao C (s) + CO2 (g) 2CO (g) importante na
indstria siderrgica (extrao de metais a partir de
minrios).
Por reao de 440 g de CO2 com carvo, obtiveram-se 420
g de CO. Calcula o rendimento da reao.
Exerccio 4
R: 75%
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Considera a reao de sntese do amonaco:N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)
a) Que quantidades de azoto, N2, e de hidrognio, H2, devero serintroduzidas, em propores estequiomtricas, num reatorcataltico, para sintetizar 90 mol de amonaco com umrendimento de 94% ?
b) Se o rendimento da reao fosse de 100%, as quantidadesnecessrias de azoto e de hidrognio para sintetizar as mesmasmoles de amonaco, seriam iguais s calculadas em a)? Justificaa resposta.
Exerccio 5
-
Resoluo do exerccio 5
Seriam necessrios 48 mol de azoto e 144 mol de hidrognio para sintetizar
90 mol de amonaco.
a) Clculo da quantidade prevista de NH3 que se devia obter:
Clculo das quantidades de azoto e de hidrognio necessrias:
1 mol N2 ------------------- 2 mol NH3n ------------------ 96 mol NH3
n = 48 mol de N2
3 mol H2 ------------------- 2 mol NH3n ------------------ 96 mol NH3
n = 144 mol de H2
-
b ) No.
Seriam necessrias apenas 45 mol de azoto e 135 mol de
hidrognio.
1 mol N2 ------------------- 2 mol NH3n ------------------ 90 mol NH3
n = 45 mol de N2
3 mol H2 ------------------- 2 mol NH3n ------------------ 90 mol NH3
n = 135 mol de H2
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Grau de pureza dos reagentes
Uma amostra de NaCl com grau de pureza de 0,97 (97%) contm 97%
de NaCl puro e 3% de impurezas.
Um reagente qumico pode apresentar diferentes graus de
pureza e a escolha de um ou de outro tem a ver com o fim a
que se destina.
em que massa da amostra = massa de substncia + massa de impurezas
-
Uma amostra de 154 g de amonaco contm 10,0% de
impurezas. Determina a quantidade de NH3 presente na
amostra.
Exerccio 6
R: n = 8,18 mol
Determina a massa de calcrio (CaCO3 + impurezas)
necessria para se obter 180 L de dixido de carbono (em
condies PTN), atravs da calcinao de um calcrio com
10% de impurezas.
CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)
Exerccio 7
R: m (calcrio) = 894 g
-
Reagente limitante e reagente em excesso
N2 + 3 H2 2 NH3
200 mol de N2 300 mol de H2
O N2 o reagente em excesso: a sua quantidade superior
prevista pela estequiometria da reao.
(para reagir com 300 mol de H2 bastavam 100 mol de N2)
Qual dos reagentes est em
excesso?
O H2 condiciona a produo de NH3 e diz-se o reagente
limitante.
-
Reagente limitante: aquele que se esgota, se a reao for
completa.
Reagente em excesso: o que sobra no final da reao.
Se fizermos reagir 44,8 dm3 de N2 com 67,2 dm3 de H2 em
condies PTN, qual o reagente limitante?
n (H2) = 67,2 / 22,4 = 3,00 mol
O H2 o reagente limitante 1mol N2 3mol H22mol N2 xmol H2
X=6 mol
V = n Vm
n (N2) = 44,8 / 22,4 = 2,00 mol
N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)
-
Modo prtico de verificar qual o reagente limitante: comparar as
fraes
Quantidade qumica de reagente
Coeficiente estequiomtrico
para todos os reagentes.
2,00 mol de N2 3,00 mol de H2
1 (N2) 3 (H2)
>
Reagente
limitante
A menor frao corresponde ao reagente limitante.
-
A utilizao de reagentes em excesso justifica-se, por
exemplo, quando h diferena significativa de custos entre
os vrios reagentes.
Na produo de NH3 acontece isso mesmo: o azoto, como
mais barato, usado em excesso, no sentido de esgotar ao
mximo o hidrognio (reagente mais caro) para obter
amonaco.
-
Misturaram-se 7,00 g de diazoto com 2,40 g de di-hidrognioem condies propcias reao de formao do amonaco.
a) Indica, justificando, qual o reagente limitante.
b) Se a reao for completa, determina a quantidade de NH3que se formar.
c) Se se formarem 6,80 g de amonaco, determina orendimento da reao.
Exerccio 8
R: a) o reagente limitante o diazoto.
b) n (NH3) = 0,500 mol
c) = 80,0 %
-
A 560 mL de uma soluo aquosa de cloreto de amnio de
concentrao 0,100 moldm-3, juntaram-se 2,00 g de xido de
clcio ( slido com 30% de impurezas inertes e insolveis em
gua ). A reao entre as duas substncias ocorreu com um
rendimento de 40% , sendo traduzida pela equao:
a) Acerta a equao qumica que traduz a reao referida.
b) Identifica, justificando com os clculos, o reagente
limitante.
c) Calcula a quantidade de amonaco formado.
Exerccio 9
M (NH4Cl) = 53,50 g mol-1
NH4Cl (aq) + CaO (s) CaCl2 (aq) + NH3 (aq) + H2O (l)
M (CaO) = 56,08 g mol-1
a) 2NH4Cl (aq) + CaO (s) CaCl2 (aq) + 2NH3 (aq) + H2O (l) b) O reagente limitante o CaO pois o que existe em menor quantidade de
acordo com a estequiometria da equao (2:1).
c) n (NH3) = 0,020 mol