Produzione di ammoniaca: il processo Haber-Bosch e la figura di Fritz Haber

Produzione di ammoniaca

L'ammoniaca oggigiorno è un prodotto chimico molto comune, venduto addirittura al supermercato e utilizzato spesso come detergente. Il suo odore acre e pungente è conosciuto da tutti. Non dobbiamo però dare per scontato che sia sempre stato così. La sintesi industriale di largo consumo dell'ammoniaca è stata sviluppata solo agli inizi di questo secolo, con conseguenze importantissime sulla vita di tutti i giorni.

Caratteristiche chimico-fisiche

L'ammoniaca nasce dalla condivisione di 3 coppie di elettroni tra un azoto e tre idrogeni. Ha una struttura tetraedrica in cui l'atomo di azoto si trova al centro ai cui vertici si trovano i tre atomi di idrogeno mentre il quarto vertice del tetraedro è occupato dal doppietto elettronico solitario dell'azoto.

H H · : N. .H : N :H . H H N H H H H H H .. N .

Caratteristiche chimico-fisiche dell'ammoniaca

Grazie al doppietto elettronico presente sul azoto l'ammoniaca è una base in grado di donare il suo doppietto elettronico per accettare protoni e liberare ioni OH- NH + H O = NH + + OH- 3 2 4 H H 1 H-N: + H-0: - > H-N-H + :0: ·Z ー エ 1 H H H .

Proprietà chimico-fisiche dell'ammoniaca

L'ammoniaca è una molecola polare e pertanto è solubile in acqua oltre che in metanolo, etanolo, etere e cloroformio (solventi organici polari).

Polarity of Ammonia (NH2) 8- N 8+ 8+ H H 8+ H ChemistryLearner.com

Caratteristiche fisiche dell'ammoniaca

L'ammoniaca a temperatura ambiente si presenta come gas incolore, tossico, dall'odore pungente ed irritante, corrosivo In presenza di ossigeno, quindi all'aria, può intaccare l'alluminio, il rame, il nichel e le loro leghe. L'ammoniaca si trasporta e si conserva in bombole allo stato liquido poiché può essere liquefatta a +10℃ e alla pressione di di 6,3 atm. Il prodotto commerciale, destinato alle piccole applicazioni, è invece costituito da una soluzione in acqua al 20% circa (soluzione ammoniacale)

GAzotal Ammoniaca e urea tecnica

Usi dell'ammoniaca

L'ammoniaca ha numerose applicazioni:

• è un componente fondamentale nei fertilizzanti chimici, sotto forma di ammoniaca anidra o di soluzioni come il nitrato d'ammonio. Questo utilizzo è cruciale per migliorare la fertilità del suolo e aumentare la produttività agricola, inoltre l'ammoniaca non ha alcun impatto negativo sull'ambiente e sul suolo
• è ampiamente utilizzata come liquido refrigerante in applicazioni industriali, come nei magazzini frigoriferi e nelle fabbriche di produzione alimentare. Grazie alle sue eccellenti qualità termodinamiche (assorbe calore) è una scelta ideale per mantenere basse temperature in modo efficiente ed ecologico. È particolarmente comune nel settore della conservazione di carni, pesce, latticini e verdure.
• l'ammoniaca liquida ha trovato ampia applicazione nell'industria conciaria , oltre che nella produzione di coloranti utilizzati nella colorazione dei tessuti.
• per la produzione di esplosivi. È un composto infiammabile e si accende spontaneamente a temperature superiori a 630 o C.
• è ampiamente utilizzata nell'industria cosmetica. Questa sostanza, utilizzata in una concentrazione specifica, è considerata una sostanza completamente sicura, quindi è molto utilizzata nella produzione di tinture per capelli.

La storia di Fritz Haber

Da sempre la chimica dell'azoto è stata legata all'evoluzione dell'agricoltura. Dopo che Justus von Liebig, chimico tedesco, dimostrò nel 1840 che le piante avevano bisogno di elementi inorganici come azoto, fosforo e potassio per crescere, la chimica dei fertilizzanti ebbe un vigoroso sviluppo. Nel corso dell'Ottocento vi è stata un'esplosione della popolazione a livello mondiale: solo in Germania, tra il 1800 e il 1900, il numero degli abitanti è raddoppiato, raggiungendo i 55 milioni. L'umanità si rese conto che poteva andare incontro ad una carestia mondiale in quanto i fertilizzanti azotati naturali come letame, guano (sterco degli uccelli marini) o il salnitro (nitrato di potassio KNO2 proveniente dal Cile) non avrebbero potuto sostenere ancora a lungo le richieste di un'agricoltura impegnata a soddisfare i bisogni di una popolazione in continua crescita.

Sviluppo del processo Haber-Bosch

L'imperatore tedesco Guglielmo II ha messo in campo grandi risorse umane, scienziati e tecnici per effettuare ricerche e sperimentazioni chimiche, al fine di rendere la Germania indipendente dalle importazioni di salnitro dal Cile. Finalmente nel 1909 lo scienziato Fritz Haber riuscì ad individuare le condizioni e i catalizzatori che avrebbero potuto favorire la reazione fra azoto (presente in abbondanti quantità nell'aria) ed idrogeno per produrre quantità industrialmente interessanti di ammoniaca. Il processo fu messo a punto con la collaborazione del chimico Carl Bosch, da cui il nome "processo Haber-Bosch".

Biografia di Fritz Haber

Nato il 9 dicembre 1868 a Breslavia (nell'odierna Polonia), figlio di un venditore di colori ebreo, Haber si iscrive all'Università di Berlino, dove consegue la laurea in chimica nel 1891. Durante la sua brillante carriera conosce Clara Immerwahr anche lei laureata in chimica, con cui nascerà un amore in nome della scienza, con un tragico epilogo

PHYSICS IN HISTORY

Fritz Haber e la Prima Guerra Mondiale

Allo scoppio della 1^guerra mondiale erano già in funzione impianti della capacità complessiva di 50000 tonnellate di ammoniaca all'anno. Dalle stazioni iniziano a partire treni carichi di soldati e Haber, come tanti a quel tempo, si infiamma di un ardente spirito patriottico. Tuttavia è consapevole di un grande problema: l'Impero tedesco potrà combattere solo per qualche mese, di certo non oltre l'anno 1914, perché presto finiranno le munizioni a disposizione delle truppe. Il motivo è semplice: la polvere da sparo è prodotta con il salnitro, che viene dall'America Latina, ma le vie marittime sono bloccate dalle navi britanniche. Il suo laboratorio chimico, però, offre una soluzione anche a questo problema: dall'ammoniaca infatti è possibile ottenere non solo fertilizzanti, ma anche acido nitrico, la base degli esplosivi.

Le armi chimiche di Fritz Haber

Milioni di granate esplodono al fronte, ma né i tedeschi né gli Alleati riescono a bombardare efficacemente le posizioni nemiche. Haber sa che non è possibile continuare così. Bisogna uscire da questa situazione di stallo, altrimenti l'umore della popolazione potrebbe crollare. Così lo scienziato sempre grazie alla chimica, vuole porre fine alle ostilità e regalare la vittoria al Reich. Nel suo laboratorio iniziarono sperimentazioni su nuove armi chimiche finchè riuscì a creare un nuovo gas letale a base di cloro che, grazie alle sue basse concentrazioni ed al fatto che era più pesante dell'aria, fu in grado di infiltrarsi nelle trincee nemiche. Il 22 aprile 1915, Haber sperimentò il suo gas lungo il confine delle Fiandre: come conseguenza, 5000 soldati degli Alleati morirono asfissiati dai fumi tossici penetrati nelle trincee. Dopo questo accatto, la moglie pacifista, accusa il marito di abusare della scienza e si toglie la vita.

Gli ultimi anni di Fritz Haber

La guerra, come sappiamo, fu persa dalla Germania e questo per Haber fu una delusione enorme. Il chimico proseguì la sua vita malinconica come direttore dell'istituto del Kaiser fino all'ascesa al potere del partito nazista: Haber era di origine ebrea e, insieme ai suoi colleghi ebrei, fu perseguitato dalle istituzioni nazionalsocialiste. Il professore fu costretto ad emigrare di continuo tra varie mete europee, non riuscendo mai a venir accettato dai colleghi stranieri che vedevano in lui solamente un assassino. Nel 1934, dopo alcuni anni di pellegrinaggio ed ormai sessantacinquenne, Haber morì in Svizzera di attacco cardiaco.

Il Premio Nobel di Fritz Haber

Nel 1918 Fritz Haber vince il Nobel per la chimica per la sintesi dell'ammoniaca. Ritirerà il premio solo nel 1920 e in seguito l'Accademia di Stoccolma definirà il riconoscimento una "gravissima offesa per tutta l'umanità".

* K UNGLIGA SVENSKA VETENSKAPS AKADEMIEN förbättring till FRITZ HABER för hans syntes an ammoniak ut'dess clement. Stockholm den 1Juni 1220 har vid sammanträde den 13No pember 1919 i enlighet med lo- reskrifterna i det an ALFRED NOBEL den 27 November 1895 uppizitta de testamente-beslutat att över lämna det pris som för 1918 bort gines At den som har gjort den viss rigaste kemiska upptäckt eller https://www.youtube.com/wat ch?v=nypYLap858o https://www.youtube.com/watch?v = dFEO9Y4ka8

Sintesi dell'ammoniaca: schema semplificato

1N2(g) 3H2(g) (stechiometria) Compressore N2 e H2 non reagiti Catalizzatore Condensatore NH3 Stoccaggio

Condizioni di reazione per la sintesi dell'ammoniaca

N 2(g) + 3H 2(g) = 2NH3 3(g) + 4H AH = - 92KJ mol-1 REAZIONE ESOTERMICA: quando 1 mole di azoto reagisce con 3 moli di idrogeno per produrre 2 moli di ammoniaca verranno rilasciati 92kj di energia termica

Sintesi dell'ammoniaca: principio di Le Chatelier

N + 3H 2(g) 12(g) =2NH 3(g) + 4H REAZIONE ESOTERMICA PRINCIPIO DI LE CHATELIER se la T aumenta la reazione si sposta a sinistra, con diminuzione della resa di reazione se la T diminuisce la reazione si sposta a destra, con aumento della resa di reazione

Condizioni di reazione: temperatura e catalizzatore

• se la T diminuisce la velocità della reazione diminuisce
• la reazione richiede T elevate per poter rompere il triplo legame nella molecola di azoto : N N:

SOLUTIONS PROBLEMS

• la T stabilita per avere una buona resa ma anche una buona velocità di reazione è 450℃
• la velocità della reazione viene aumentata con un catalizzatore di ferro

Influenza della pressione sulla sintesi dell'ammoniaca

Poiché si tratta di un equilibrio in fase gassosa anche la pressione influisce sullo spostamento dell'equilibrio!

N 2(g) + 3H 2(g) 1L 2NH 3(g) G ! dreamstime dreamstime 4 moli 2 moli PRINCIPIO DI LE CHATELIER un aumento di P sposta l'equilibrio verso destra, aumentando la resa della reazione la P ottimale è 200 atm

Metodo Haber-Bosch: condizioni ottimali

Dunque la reazione di sintesi dell'ammoniaca è una reazione d'equilibrio esotermica dove tutte le sostanze sono presenti allo stato gassoso. Per ottenere una buona resa, il metodo Haber-Bosch utilizza il principio di Le Chatelier, e la reazione reazione viene fatta:

• a 450℃ per un'ottimale velocità di reazione e per favorire la rottura del triplo legame dell'azoto
• a 200 atm, alte pressioni, perché tutti i componenti dell'equilibrio sono allo stato gassoso e il numero delle moli dei reagenti è doppio di quello del prodotto;
• in presenza di un catalizzatore di ferro attivato con ossidi di alluminio e potassio, per aumentare la velocità di reazione.
• raffreddando il contenitore di reazione, in quanto la reazione è esotermica;
• ad alte concentrazioni di reagenti, in modo da aumentare la velocità della reazione diretta;
• in un recipiente in cui vi siano spruzzi d'acqua, in modo che l'ammoniaca gassosa formata si sciolga facilmente, sia eliminata dal recipiente di reazione e si sottragga all'equilibrio; la diminuzione della concentrazione di prodotto favorisce la reazione diretta;