Controlo da produção industrial.
Fatores que influenciam a evolução do sistema reacional: Princípio de Le Chatelier.
Alteração do equilíbrio à escala industrial.
Henri Louis Le Châtelier1850-1936
Engenheiro Químico Francês
Lei de Le Châtelier (conhecida como Princípio de Le Châtelier):
Se um sistema que se encontra em equilíbrio é sujeito a uma perturbação por variação na pressão, na temperatura ou na quantidade de qualquer componente, haverá tendência para a reação evoluir no sentido em que reduz o efeito dessa perturbação.
Mostrou que quando se afeta o estado de equilíbrio de um sistema ele evolui para um novo estado de equilíbrio que é aquele que reduz parcialmente o efeito que o produziu
Aquecendo/Arrefecendo a mistura reacional
Gás castanho - escuro
Gás incolor
N2O4 (g) 2NO2 (g) ΔH>0
T
Evolui de acordo com o Princípio de Le CHâtelier
T
A reação evolui no sentido em que absorve energia - direto
Reação endotérmica
Ocorrendo a reacção endotérmica absorve energia baixando a temperatura do sistema
Em gelo Em água quente
O que acontecerá ao valor da constante de equilíbrio deste sistema reacional?
Irá aumentar
Se aumentar
A tende a diminuir
Como classifiar energeticamente esta reação?
A evolução da reação prevista pelo Princípio de Le Châtelier pode ser explicada por comparação dos valores de Kc e Q.
Aumentando a concentração de reagente, o Q < Kc, a reação evolui no sentido direto para diminuir a concentração dos reagentes aumentando a concentração de produtos até que Q = Kc .
Aumentando/Diminuindo a concentração
No instante em que se adiciona hidrogénio ao sistema em equilíbrio qual a relação entre Q e Kc?
Q < Kc
Como irá evoluir o sistema reacional?
N2(g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
N2(g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
Aumentando a concentração de produtos, Q > Kc, logo a reação evolui no sentido inverso diminuindo a concentração de produtos e aumentando a concentração de reagentes até que Q = Kc.
Q > Kc
Aumentando a concentração de NH3, como evoluirá a reação?
N2(g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)Considere a produção de amoníaco
Como evoluirá o sistema reacional, quando se encontra em equilíbrio e se adiciona azoto?
(a) Mistura gasosa de azoto, hidrogénio e de amoníaco no equilíbrio
N2(g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
(b) A pressão é aumentada por diminuição de volume. A mistura deixa de estar em equilíbrio e Qc< Kc.
(c) A reação ocorre no sentido direto (da esquerda para a direita) diminuindo o número total de moléculas gasosas até o equilíbrio ser restablecido quando Qc = Kc.
Diminuição de volume = aumento de pressão
Aumentando/Diminuindo a Pressão
Aumento de volume = diminuição de pressão = descompressão = expansão
Sentido em que se produz menor número de moles de gás
Sentido em que se produz maior número de moles de gás
V
V P
P
Diminuição de volume = aumento de pressão = compressão
Catalisadores
Afetam de igual modo a reação directa e a reação inversa por isso não alteram a composição do sistema no equilíbrio
Os catalisadores apenas aumentam a rapidez com que o equilibrio é atingido.
Como se pode provocar alterações do equilíbrio químico quando se pretende trabalhar à escala industrial?
Síntese do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch
A- Proporções de azoto e hidrogénio 1:3
B- Temperatura
C- A pressão
D- Catalisador
Porquê este diagrama e não outro?
Síntese do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch
A- Proporções de azoto e hidrogénio 1:3
Os reagentes, em qualquer reação, estarão sempre nas proporções estequiométricas?
Em geral deve-se usar excesso do reagente mais barato se o outro for muito caro.
(No processo de Haber Bosch o azoto é mais barato, no entanto, ambos os gases são reciclados)
N2(g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
Síntese do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch
B- Temperatura
N2(g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) ΔH = -92 kJ mol-1
De acordo com o Princípio de Le Châtelier como será favorecida, aumentando ou diminuindo a temperatura?
A temperatura de 400ºC-450ºC não é uma temperatura baixa.
1. Considerações de equilibrio
Porque razão se utilizam estas temperaturas e não outras?
2. Considerações sobre rapidez da reaçãoMenor temperatura implica maior tempo de reação. Mas é necessário que a mistura gasosa atinja o equilíbrio no menor intervalo de tempo possível.
A mistura gasosa deve estar em contacto com o catalisador.
Esta reação é favorecida por uma diminuição de temperatura.
Síntese do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch
O rendimento da produção do amoníaco diminui com o aumento da temperatura qualquer que seja a pressão.
A temperatura 400 - 450ºC permite a obtenção de amoníaco (rendimento 20%) num intervalo de tempo pequeno.
O que acontece ao rendimento da reação quando se aumenta a temperatura?
C- A pressão N2(g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) ΔH = -92 kJ mol-1
De acordo com o Princípio de Le Châtelier como será favorecida a produção de amoníaco, por altas ou baixas pressões?
Usando pressão tão elevada quanto possível.
!!!
Porque razão se utilizam estes valores de pressão e não outros superiores?2. Considerações sobre a rapidez da reação.
1. Considerações de equilíbrio
3. Considerações económicas
5. O compromisso
O aumento de pressão facilita a aproximação das moléculas e o contacto com a superfície do catalisador aumentando a rapidez da reacção
Processos industriais a altas pressões têm riscos explosão, condicionando a segurança do processo.
A pressão de 200 atm é uma pressão de compromisso devido aos custos das altas pressões.
4. Condições de segurança
Processos industriais a altas pressões são dispendiosos quer na fase de construção quer na produção quer na manutenção das instalações
D- Catalisador
1. Considerações de equilíbrio
De que modo é que a utilização de um catalisador afeta a produção do amoníaco?
Não tem qualquer efeito na composição de equilíbrio
2. Considerações sobre a rapidez da reação
A produção de amoníaco na ausência do catalisador é muito lenta e a utilização do catalisador (Ferro) aumenta a rapidez com que se obtém uma certa quantidade de amoníaco, fazendo com que os gases reajam no curto intervalo de tempo durante o qual permanecem dentro do reator .
O compromisso A temperatura 400-450ºC permite a obtenção de amoníaco (rendimento 15%) num intervalo de tempo pequeno.
A reciclagem do azoto e do hidrogénio tornam o processo não dispendioso (não sendo necessário adicionar o azoto em excesso).
A pressão de 200 atm (e não superior) é uma pressão de compromisso devido aos custos das altas pressões relativamente à construcção e manutenção de sistemas (reatores e outros) de altas pressões, para que haja segurança das instalações para os trabalhadores e populações vizinhas da instalação industrial.
O catalisador – Ferro, aumenta a rapidez com que se obtém uma certa quantidade de amoníaco, fazendo com que os gases reajam no curto intervalo de tempo durante o qual permanecem dentro do reator .
O conjunto de valores para as variáveis que permite um compromisso - maior rendimento da reação directa versus custos-segurança é o que estabelece uma temperatura de cerca de 450 °C e uma pressão de 200 atm, com a introdução de um catalisador.
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