Preparación del amoniaco y el ácido nítrico
La manera de preparar el amoniaco a nivel industrial se realiza a través de la síntesis que parte del hidrógeno y del nitrógeno. El nitrógeno, es un elemento que se consigue partiendo del aire, en cambio el hidrógeno procede del agua o de distintos hidrocarburos. El método de síntesis de amoniaco a través de estos dos elementos se viene realizando desde el año 1913 en Alemania, cuando empezó a utilizarse el proceso conocido como Haber:
N2 (g) + 3 H2 (g) ↔ 2 NH3 (g); con una variación de entalpía es de -92.4 kJ
Siguiendo el principio de Le Chatelier, un aumento de la presión beneficia la formación del amoniaco al presentarse una reducción de los moles de gas cuando el nitrógeno y el hidrógeno se relacionan entre sí para formar el amoniaco.
Por otro lado, la reacción es de tipo exotérmica, el equilibrio se traslada hacia la formación de amoniaco cuando desciende la temperatura; pero cuando bajamos la temperatura, la reacción se torna muy lenta. En el proceso industrial se opta por una temperatura en la cual la reacción se realice a una velocidad medianamente razonable sin que se disminuya mucho el porcentaje de amoniaco que se forma en el equilibrio. La presión también se elige para que favorezca la reacción pero sin que esto provoque un coste alto, tanto en la construcción de la planta industrial como el coste del proceso en sí. Las condiciones idóneas están entre 140 y 340 atmósferas, y en cuento a la temperatura, esta se encuentra entre 380-580 ºC, usándose un catalizador de hierro dividido que consta de cantidades mínimas de óxidos metálicos.
Además, es importante mencionar que el proceso de Haber es un ciclo continuo. Esto significa que los gases de hidrógeno y nitrógeno se reciclan constantemente en el sistema hasta que se convierten en amoniaco. Este proceso de reciclaje es esencial para mantener la eficiencia del proceso y minimizar el desperdicio de materiales.
Aunque se hayan realizado esfuerzos por optimizar las distintas condiciones de las que consta la reacción, la conversión no es elevada, sin embargo, se puede mejorar el rendimiento de la reacción al eliminar algo del amoniaco que se va formando. Habitualmente, la mezcla de la reacción e trata en una cámara de enfriamiento donde el amoniaco, con un punto de ebullición de -31ºC, se condensa y así se pasa a recuperar la mezcla de la reacción. Los elementos nitrógeno y hidrógeno que se reciclan, pasan de nuevo en la cámara de la reacción. El efecto que se da al eliminar el amoniaco que se va formando hace que se traslade el equilibrio favoreciendo que se siga formando dicho gas.
El amoniaco se fabrica de manera masiva; se cree que la producción pasa de los cien millones de toneladas mundiales anuales. Se trata de un proceso intermedio de síntesis bastante importante para la industria de los fertilizantes, sobretodo para la fabricación de las sales de amonio, y también para sintetizar el ácido nítrico.
El ácido nítrico se sintetiza a nivel industrial a través de la oxidación catalítica del amoniaco. Dicho procedimiento también se inició en Alemania, y hoy en día sigue vigente, produciéndose en torno a unos veinte millones de toneladas al año en todo el mundo. El amoniaco a altas temperaturas se oxida, encontrándose en presencia de un catalizador adecuado, el cual se basa en aleaciones de platino, con un contenido de un 10 % de rodio. La reacción es la siguiente:
4NH3 (g) + 5 O2 (g) → 4 NO (g) + 6 H2O (g)
El NO (monóxido de nitrógeno) que se forma, se va combinando con el oxígeno del aire en el enfriamiento, aumentando la conversión en NO2 ( dióxido de nitrógeno), que a través de la reacción con el agua, nos da lugar a una disolución de ácido nítrico de una pureza de entorno al 60% en peso, como indican las siguientes reacciones:
2NO (g) + O2 (g) → 2 NO (g)
3 NO2 (g) + H2O (l) → 2 HNO3 (ac) + NO (g)
El monóxido de nitrógeno se va reciclando con la finalidad de dar un nuevo trato al oxígeno y el agua. En su conjunto, la reacción global de la oxidación del amoniaco es:
NH3 (g) + 2 O2 (g) → HNO3 (ac) + H2O (l)
El ácido nítrico se utiliza casi por completo para fabricar fertilizantes, en torno a un 65 % de la totalidad de la producción se dedica a dicho fin, el 25% restante se dedica a fabricar explosivos. También se usa en una proporción menor (10%), en diferentes y numerosos procesos de preparación para síntesis de otros compuestos, como agente oxidante y nitrante.
En el ámbito de la investigación, el amoniaco y el ácido nítrico son esenciales en la síntesis de una amplia variedad de compuestos químicos. El amoniaco se utiliza en la producción de productos farmacéuticos, pesticidas y tintes, mientras que el ácido nítrico se utiliza en la producción de polímeros, plásticos y fibras sintéticas. Además, el ácido nítrico es un componente clave en la fabricación de explosivos como la nitroglicerina y el TNT.
