Resumo nº4

 

1. O amoníaco como matéria prima

 

1.1. A - O AMONÍACO COMO MATÉRIA-PRIMA

OBJETOS DE ENSINO

  • A reação de síntese do amoníaco
  • Reações químicas incompletas

O amoníaco é usado, por exemplo, como matéria-prima no fabrico de fertilizantes, de ácido nítrico, de explosivos e como meio de arrefecimento (no estado líquido) na indústria alimentar. É, pois, uma substância inorgânica importante.

Para a produção industrial do amoníaco utilizam-se como matérias-primas o gás azoto, N2, e o gás hidrogénio, H2, de acordo com a seguinte reação de síntese:

O processo de síntese do amoníaco foi desenvolvido por Fritz Haber (1868-1934) e Karl Bosch (1874-1940), ocorrendo a pressões elevadas (superiores a 200 atmosferas), a temperaturas mo­deradas (cerca de 450 °C) e na presença de um catalisador.

Verifica-se que antes dos reagentes (N2 e H2) se esgotarem totalmente, o produto da reação (NH3), já formado, pode decompor-se, originando N2 e H2, ocorrendo, portanto, a reação inversa da síntese do amoníaco, ou seja, a reação de decomposição do amoníaco.

Como o processo direto e inverso coexistem no mesmo sistema, a formação do amoníaco não é uma reação completa. Para o ser, pelo menos, um dos reagentes teria de atingir valores de con­centração não mensuráveis.

A reação de síntese do amoníaco, em sistema fechado, é assim uma reação incompleta, pois ne­nhum dos reagentes se esgota no seu decurso.

 

1.1. B- O AMONÍACO COMO MATÉRIA-PRIMA

 

OBJETOS DE ENSINO

  • Aspetos quantitativos das reações químicas
  • Quantidade de substância

Sabemos já do 10.° ano que a quantidade de substância (n) é uma das sete grandezas funda­mentais do Sistema Internacional (SI), sendo a unidade de quantidade de substância a mole, cujo símbolo é mol. A mole define-se como sendo a quantidade de substância que contém tantas enti­dades (átomos, moléculas, iões, eletrões,...) quantas as existentes em 1,2 x 10-2 kg do nuclido 12C. O número de entidades, determinado experimentalmente, designa-se constante de Avogadro (L ou N) e corresponde a 6,02 x 1023 entidades.

Amostras de substâncias diferentes com o mesmo número de entidades constituintes (N) têm a mesma quantidade de substância.

NA = 6,02 x 1023 mol-1

Em função da definição da grandeza quantidade de substância, o número de entidades (N) presen­tes numa amostra é proporcional à quantidade de substância respetiva (n), sendo a constante de proporcionalidade a constante de Avogadro (L).

 

1.1. C - O amoníaco como materia-prima

 

OBJETOS DE ENSINO

  • Rendimento de uma reação química

A estequiometria de uma reação diz respeito às relações quantitativas nas reações químicas, isto é, as relações bem definidas entre as quantidades dos reagentes e produtos de uma reação química. Tais informações são conseguidas pela equação química que traduz a reação. Esta mostra que quando as substâncias se combinam entre si não o fazem ao acaso, mas antes de acordo com leis estequiométricas como a Lei da Conservação da Massa (ou Lei de Lavoisier) e a Lei de Proust.

As equações químicas (que traduzem reações químicas) fornecem dois tipos de informação: qua­litativa e quantitativa. A primeira permite identificar os reagentes e os produtos da reação. A se­gunda permite conhecer a proporção de combinação de cada espécie, ou seja, a estequiometria da reação, através dos coeficientes estequiométricos, que são os números que antecedem cada um dos reagentes e cada um dos produtos da reação.

Podemos, pois, estabelecer relações com base nas equações químicas e realizar cálculos este­quiométricos e, a partir deles, calcular o rendimento de reações incompletas de que a síntese do amoníaco, como vimos, é um exemplo.

O rendimento de uma reação química  traduz a maior ou menor conversão de reagentes em produtos e pode definir-se como:

 

  • O quociente entre a massa obtida de um produto da reação e a massa de produto teoricamente prevista.

 

  • O quociente entre o volume obtido de um produto gasoso da reação e o volume de produto teo­ricamente previsto.

  •  O quociente entre a quantidade obtida de um produto da reação e a quantidade de produto teori­camente prevista.

 

O rendimento de uma reação (0 < n < 1) é habitualmente expresso em percentagem (%). Na indústria, d rendimento das reações de síntese é usualmente inferior a 100% porque:

I) as reações são incompletas;

II) ocorrem reações secundárias que originam a formação de produtos diferentes do que se Dretende ou

III) as reações são muito lentas,

não havendo tempo para a conversão completa.

 

1.1. D - O AMONÍACO COMO MATÉRIA-PRIMA

OBJETOS DE ENSINO

Grau de pureza dos componentes de uma mistura reacional

As matérias-primas usadas na indústria têm origem na Natureza ou são sintetizadas. Vulgarmente contêm impurezas, isto é, outras substâncias indesejáveis no processo de fabrico a que as maté­rias-primas se destinam, em maior ou menor grau. Em cada processo de síntese, opta-se pelo grau de pureza mais adequado. É fácil, pois, compreender porque é que a indústria farmacêutica é uma das que exige que se utilizem reagentes com elevado grau de pureza.

Considera-se como grau de pureza de um material o quociente entre a massa da substância (pura) e a massa da amostra onde aquela massa está contida:


Para além do grau de pureza dos materiais, outro aspeto a ter em conta numa reação química é a proporção da combinação dos reagentes. De facto, raramente os reagentes são utilizados nas pro­porções estequiométricas.

Assim, o reagente cuja quantidade condiciona a quantidade de produtos formados designa-se rea­gente limitante.

O reagente em excesso é aquele cuja quantidade presente na mistura reacional é superior à pre­vista pela proporção estequiométrica.

Quando há diferenças consideráveis nos custos entre os vários reagentes, opta-se pela utilização em excesso de um dos reagentes mais económicos. É o que acontece na síntese do amoníaco: como o processo de obtenção do azoto é mais barato que o do hidrogénio, usa-se o azoto em excesso com o objetivo de esgotar o hidrogénio.

 

2. O amoníaco, a saúde e o ambiente

 

OBJETOS DE ENSINO

  • Interação do amoníaco com componentes atmosféricos
  • Segurança na manipulação do amoníaco

 

O amoníaco é um gás incolor à temperatura ambiente e pressão normal (o ponto de fusão é -77,7 °C e o ponto de ebulição -33,4 °C) e tem de ser liquefeito para ser transportado e armazenado.

Apresenta grande solubilidade em água sendo, por isso, comercializado sob a forma de soluções concentradas com cerca de 30% de amoníaco.

Quer no estado gasoso quer em solução aquosa, o amoníaco, se em contacto com a pele e olhos ou se inalado, pode causar lesões graves, que de­pendem do tempo de exposição e da sua concentração.

Quando liquefeito, porque a pressão é elevada e porque é inflamável, o seu manuseamento exige cui­dados adicionais pois o perigo está também aumentado.

Em caso de libertação para a atmosfera, pode originar nitrato e sulfato de amónio. Os iões destes sais associam-se para formar pequenas partículas sólidas dispersas na atmosfera que se designam “matéria particulada" e que é corrosiva.

O amoníaco libertado para a atmosfera pode ainda reagir com o oxigénio do ar e originar óxidos de azoto (NOx ).

Estes, uma vez na atmosfera, apresentam implicações preocupantes para a saúde e para o ambiente por originarem chuvas ácidas, que provocam acidificação dos solos e eutrofização dos cursos de água.

 

QUESTÕES RESOLVIDAS

 

1. Selecione a única alternativa que contém os termos que preenchem sequencialmente os espaços seguintes, de modo a obter uma afirmação correta.

O contacto com o amoníaco na fase gasosa ou em solução aquosa provoca ________ lesões na pele, olhos e pulmões. Essa gravidade ______ com o aumento do tempo de exposição e/ou aumento da concentração. Quando manipulado a pressões elevadas, a sua perigosidade _________.

(A) ... ténues... aumenta... aumenta. (B) ... graves... aumenta... aumenta.

(C)... ténues... diminui... diminui.       (D)... graves... aumenta... diminui.

2. Considere as afirmações abaixo referidas.

Selecione as que caracterizam o azoto molecular e as que caracterizam o amoníaco.

3. Nos organismos, o amoníaco funciona como agente estruturante de proteínas e de outros compostos azotados, como as bases do DNA. Faz parte da composição de alguns plane­tas, os “gigantes gasosos”, como Júpiter e Saturno. Industrialmente, usa-se como ma­téria-prima ou aditivo.

Refira quatro indústrias em que o amoníaco seja utilizado como matéria-prima.

4. A libertação de amoníaco para o meio ambiente pode originar graves problemas. Indique alguns desses problemas.

QUESTÕES PROPOSTAS

 

1. A partir no início do século XX, o processo de síntese do amoníaco passa a ser o vulgarmente conhecido processo de Haber-Bosch.

1.1. Explique qual o principal objetivo da indústria de produção de amoníaco pelo processo de Haber-Bosch.

1.2. Indique quais as matérias-primas utilizadas na produção industrial de amoníaco pelo pro­cesso de Haber-Bosch.

1.3. Como se obtêm as matérias-primas utilizadas na produção de amoníaco?

1.4. O processo indicado anteriormente para a obtenção do hidrogénio - utilizado como maté­ria-prima na produção de amoníaco - apresenta um importante inconveniente. Indique-o.

1.5. Refira-se às razões que levaram a que o processo de produção de amoníaco usado ante­riormente a Haber-Bosch tenha deixado de ser viável.

1.6. Descreva os passos principais do procedimento industrial de fabrico do amoníaco pelo pro­cesso de Haber-Bosch.

1.7. Sabendo-se que o transporte e a manipulação do amoníaco apresentam muitos riscos para o ambiente e para a saúde de pessoas e animais, explique a razão por que, mesmo assim, o amoníaco é tão utilizado.

1.8. Refira quais as frases de risco que devem estar presentes num frasco de solução aquosa concentrada de amoníaco.

2.Considere o seguinte texto:

“Em 1936, acabado de se formar pela Universidade de Ohio State, o jovem químico Roy Plunkett foi contratado pela empresa Dupont para trabalhar em novos materiais refrige­rantes. Os refrigerantes usados nessa época, a amónia e o dióxido de enxofre, eram altamente tóxicos. Thomas Mídgley, que trabalhava para a divisão de refrigentes da General Motors, já tinha pesquisado a literatura científica à procura de um material refrigerante que fosse incolor, inodoro, sem gosto, não tóxico e não inflamável e tinha chegado à con­clusão de que os clorofluorcarbonetos (CFCs) seriam ideais”.

O Génio da Garrafa (adaptado), Joe Schwarcz, Gradiva, 2005

Uma importante utilização do amoníaco (liquefeito) é como fluído de transferência de calor, em instalações frigoríficas industriais e domésticas. Embora os clorofluorcarbonetos (CFCs) fossem usados para esse fim, foram banidos devido ao seu forte efeito destrutivo para a camada de ozono.

Explique, num pequeno texto, porque é que o amoníaco é atualmente utilizado como refri­gerante em muitas indústrias alimentares, à semelhança do praticado nas primeiras déca­das do século XX.

3. Considere a figura seguinte:

Partindo da ideia central do cartoon, indique uma situação concreta que evidencie a res­ponsabilidade da indústria do amoníaco no desenvolvimento sustentável do meio ambiente.

Cartoon publicado no jornal “Público”, em 28 de Agosto de 2002 da autoria de Luís Afonso.

 

 

 

 

 

3. Síntese do amoníaco e balanço energético

 

OBJETOS DE ENSINO

  • Síntese do amoníaco e sistema de ligações químicas
  • Variação de entalpia de reação em sistemas isolados

 

A observação do quotidiano revela-nos que as reações químicas podem ser acompanhadas por li­bertação ou absorção de energia. A nível industrial, nem sempre é o objetivo obter os produtos da reação, podendo apenas pretender-se aproveitar a energia que está em jogo numa determinada reação.

Num sistema isolado, no qual não ocorre transferência de energia (nem de matéria) entre o sistema e a vizinhança, as reações químicas podem ser classificadas em exoenergéticas - se ocorrem com elevação de temperatura do sistema - ou em endoenergéticas - se ocorrem com diminuição de temperatura do sistema.

Todas as reações químicas ocorrem com rutura de ligações (nos reagentes), ocorrendo absorção de energia - processo endoenergético - e formação de novas ligações (nos produtos da reação), ocorrendo libertação de energia - processo exoenergético.

A energia da reação traduzir-se-á como o saldo energético entre a energia envolvida na rutura e na formação de ligações químicas e o seu valor exprime-se, a pressão constante, em termos de variação de entalpia,

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