SINTESI INDUSTRIALE DELL’AMMONIACA

Si tratta di uno dei primissimi composti chimici industriali per quantità prodotte a livello globale. E’ infatti materia prima per una miriade di composti, alcuni dei quali a loro volta prodotti in grossi quantitativi : ad esempio l’acido nitrico, poi l’urea, e poi i fertilizzanti azotati e altri composti precursori per l’industria dei polimeri. La sintesi industriale parte da azoto ed idrogeno elementari:

1) N2 + 3 H2 ↔ 2 NH3

La fonte naturale più ovvia per l’N2 è l’aria, che ne contiene il 79%: viene impiegata la distillazione dell’aria liquefatta. Per l’idrogeno invece le potenziali fonti sono ancor più numerose, ma la principale è attualmente costituita dai processi di reforming dell’industria petrolchimica.

ammoniaca in 3D
Molecola dell’ammoniaca

Dal punto di vista storico, il primo impianto  per la sintesi dell’ammoniaca fu messo a punto nel 1913 con l’importante contributo della BASF, alcuni anni dopo la brevettazione del processo catalitico di sintesi da parte del chimico Haber.

Riguardo le proprietà dell’ammoniaca, a T e P ambiente si tratta di un gas, incolore e facilmente liquefabile ad alcune atm di pressione. E’ molto solubile in acqua.

Abbiamo accennato in precedenza all’uso di un catalizzatore: è  una necessità per la sintesi con la reazione (1), di cui vanno evidenziati gli aspetti termodinamici e cinetici.

Ricordando l’opportuna relazione termodinamica per il calcolo del ∆G0 (condizioni standard) per la reazione (1) , e soprattutto ricordandoci che per avere spontaneità verso la formazione del prodotto NH3 tale  ∆G0 dovrà essere negativo, bisogna utilizzare i dati di letteratura dei ∆Hf0 e i ∆Sf0 di tutte le specie coinvolte nella reazione (1). Troveremo appunto un ∆G0<0.

Successivamente , considerando per approssimazione  le funzioni di stato  indipendenti dalla temperatura, possiamo verificare che dalla relazione ∆G = ∆H – T ∆S si ottiene un valore di temperatura di equilibrio pari a circa 190oC. La sintesi dell’ammoniaca richiede temperature inferiori a questo valore per essere termodinamicamente favorita.

Purtroppo però operare al di sotto di questa temperatura significa avere a che fare con una velocità di reazione inaccettabile. La necessità di temperature elevate e di uso di un catalizzatore adeguato per favorire cineticamente la sintesi in esame si accompagnano ad un ulteriore  fabbisogno, ovvero pressioni elevate.

D’altra parte per il noto principio di Le Chatelier un aumento di pressione nella (1) sposta l’equilibrio nel verso di una diminuzione del numero totale di moli (verso il prodotto, a destra).

In definitiva i processi industriali per l’ottenimento dell’ammoniaca hanno trovato un buon compromesso tra cinetica e termodinamica con valori di temperatura compresi tra 300 e 500 gradi, pressioni che vanno dalle 200 fino alle 1000 atm di alcuni impianti più moderni e ovviamente il catalizzatore.

Chimitutor -24 Maggio 2017