El amoníaco es un importante producto químico utilizado en todo el mundo; por ejemplo, en fertilizantes y tintes. ¿Pero cómo se produce el amoníaco? Empleamos un método industrial llamado proceso Haber-Bosch. Llamado así, por sus inventores Fritz Haber y Carl Bosch en el siglo XX, es un proceso complejo que implica la reacción reversible del nitrógeno y el hidrógeno en condiciones específicas.
Este artículo trata sobre el proceso Haber-Bosch.
En primer lugar, repasaremos la estructura química y los usos del amoníaco.
Seguidamente, descubriremos qué es el proceso Haber-Bosch y veremos sus principales etapas.
Luego, exploraremos un diagrama del proceso de producción del amoníaco, a nivel industrial.
A continuación, estudiaremos la ecuación del proceso de Haber-Bosch y su relación con el equilibrio.
También expondremos las condiciones del proceso Haber-Bosch y las concesiones que se deben hacer.
Por último, mostraremos algunos catalizadores en la industria de producción del amoníaco.
¿Qué es un amoníaco?
El amoníaco es un compuesto gaseoso, a temperatura ambiente, conformado por un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno. Tiene la fórmula química NH3.
Tal vez hayas oído hablar del amoníaco antes o, quizá, incluso lo hayas utilizado en tu hogar o hayas percibido su particular aroma. Pero, ¿tienes claro qué es, y cuál es su estructura química?
La estructura química del amoníaco se muestra en la Fig. 1:
Fig. 1: Estructura química del amoníaco.
Fíjate en la geometría de pirámide trigonal, y el par de electrones libres sobre el átomo de nitrógeno.
Ahora que conoces la fórmula química y la estructura del amoníaco, estudiemos la utilidad que tiene en la industria.
¿Para qué sirve el amoníaco?
¿Te gusta comer ensalada?, ¿o disfrutas más una deliciosa pizza? ¿Has asistido a algún espectáculo de fuegos artificiales? Si has respondido afirmativamente a alguna de las preguntas anteriores, esto significa que has estado en contacto con algún producto de la industria del amoníaco.
El amoníaco puede utilizarse, principalmente, en la industria agroquímica —para producir fertilizantes, por ejemplo— y es el responsable de que la mayor parte de los alimentos vegetales lleguen a nuestras mesas. Sin embargo, también lo encontrarás en explosivos, telas sintéticas y equipos de refrigeración, entre otros. La Fig. 2 muestra algunos de los usos más comunes del amoníaco.
Fig. 2: Usos del amoníaco a nivel industrial.
¿Qué es el proceso Haber-Bosch?
El proceso Haber-Bosch es un proceso que se realiza para fabricar amoníaco a partir de hidrógeno y nitrógeno. El nitrógeno puede obtenerse del aire y el hidrógeno puede obtenerse de gas natural y de otras fuentes.
El proceso Haber-Bosch debe seguir una serie de pasos muy controlados y que requieren de mucho cuidado, como se muestra a continuación:
El hidrógeno y el nitrógeno se bombean a un compresor, a través de tuberías.
La mezcla de hidrógeno y nitrógeno se comprime dentro del compresor, a una presión de 200 atm y una temperatura de 450 °C.
Los gases se bombean a un reactor que contiene un catalizador de hierro.
Los gases se enfrían en el tanque de enfriamiento, y el amoníaco se licua y se separa.
El nitrógeno y el hidrógeno que no han reaccionado se reciclan: vuelven al reactor, para que no se desperdicien.
El proceso Haber-Bosch fue, en su momento, una respuesta importantísima ante la explosión demográfica en el siglo XX (más adelante profundizaremos en este punto).
Proceso de producción del amoníaco
El proceso industrial a través del cual se produce el amoníaco (proceso de Haber-Bosch), se ilustra en la Fig. 3 (tal como se explicó anteriormente):
Fig. 3: Diagrama de las diferentes etapas del proceso Haber-Bosch.
El reactor que se utiliza en el proceso Haber-Bosch es un reactor de lecho fijo. En este tipo de reactores, el catalizador se coloca en una posición estática dentro del reactor, y los reactivos gaseosos se hacen pasar, a través del lecho catalítico, para reaccionar en la superficie del catalizador.
Ecuación y equilibrio del proceso de Haber-Bosch: reacción química en la industria
Cuando el amoníaco se produce por la reacción entre el hidrógeno y el nitrógeno, se dice que la reacción es reversible. Esto significa que el amoníaco puede volver a convertirse en nitrógeno e hidrógeno.
El símbolo empleado para el término reversible en química es \(\rightleftharpoons \).
La reacción del proceso Haber-Bosch es la siguiente:
$$Nitrogeno+Hidrogeno \rightleftharpoons Amoniaco$$
Utilizando símbolos químicos, la reacción puede escribirse como:
$$N_{2(g)}+3H_{2(g)} \rightleftharpoons 2NH_{3(g)}$$
La constante de equilibrio Kp para esta reacción puede escribirse como:$$Kp=\frac {(P_{NH_3})^2}{(P_{N_2})(P_{H_2})^3}$$
Esta reacción conduce a un equilibrio dinámico, debido a las reacciones de avance y retroceso que se producen continuamente. La posición del equilibrio se ve afectada por una serie de factores como la temperatura y la presión.
Por ejemplo: si la presión aumenta, el rendimiento del amoníaco también aumenta, a cualquier temperatura.
Esto se debe al principio de Le Chatelier, en el cual, al aumentar la presión, el equilibrio se desplaza hacia el lado de la ecuación con el menor número de moles de gas.
Sin embargo, las condiciones reales usadas se eligen en función de diferentes consideraciones, como el coste, la disponibilidad y el suministro de materias primas. Las empresas de esta industria tienen que tener en cuenta los costes de extracción de las materias primas y los costes de producción de energía, para asegurarse de que el proceso sea viable.
Como pudiste leer anteriormente, el proceso de Haber-Bosch cumplió un papel fundamental en la respuesta a la explosión demográfica del siglo XX.
Antes de la invención de este proceso, la producción de alimentos de origen agrícola dependía de abonos como guano, estiércol y salitre. En el momento en el que se introdujo el proceso de Haber-Bosch, estos recursos estaban muy cerca de agotarse, debido a la creciente intensa demanda. Entonces, el amoníaco generado a partir de este proceso proporcionó una fuente de fertilizantes económica y abundante para satisfacer la demanda y las necesidades derivadas del aumento radical de la población en el siglo XX.
Por eso, Fritz Haber llegó a ser conocido como “el hombre que extrajo pan del aire”.
Las condiciones del proceso Haber-Bosch
Para llevar a cabo el proceso Haber-Bosch, se debe mantener un estricto control de las condiciones de reacción, como puedes ver a continuación.
Restricciones
Las condiciones ideales del proceso Haber-Bosch son:
Todas estas condiciones están ajustadas finamente para producir un buen rendimiento a un coste y tiempo razonables.
Temperatura
La temperatura utilizada para el proceso Haber es de 450°C y la reacción de avance es exotérmica; por esto, si se reduce la temperatura, el rendimiento de amoníaco aumentará, pero la velocidad de reacción disminuirá. Esto significa que la reacción será lenta.
Por otro lado, si se emplea una temperatura más alta, el rendimiento del amoníaco disminuirá y el rendimiento de los reactivos aumentará; lo que no es el objetivo de este proceso. Esto significa que se debe usar una temperatura de 450°C como compromiso.
Presión
La presión empleada en el proceso Haber es de aproximadamente 200atm. Si se aumenta la presión, se produce un aumento del rendimiento del amoníaco, ya que hay menos moléculas en el lado derecho de la ecuación (lado del producto).
Sin embargo, si se emplea una presión más baja, el rendimiento de la reacción disminuye, puesto que hay más moléculas en el lado izquierdo de la ecuación. Pero, las altas presiones son muy caras (debido al elevado coste de la energía) y pueden ser peligrosas. Por lo tanto, una presión de 200atm es un compromiso en el que el rendimiento de amoníaco que se produce es bajo, pero se produce de forma segura.
Catalizador
El catalizador empleado en el proceso Haber es un catalizador de hierro. La posición del equilibrio no se ve afectada por el catalizador, pero sí la velocidad de reacción. Un catalizador puede utilizarse para aumentar la velocidad de reacción, ya que reduce la energía de activación al proporcionar una vía alternativa.
El uso de un catalizador también permite usar una temperatura más baja para que se produzca una cantidad razonable de rendimiento. Si no se emplease un catalizador, la reacción se llevaría a cabo a temperaturas más altas; esto conllevaría un mayor coste y a un menor rendimiento.
Catalizadores en la industria de producción del amoníaco
Aunque los catalizadores más empleados para producir amoníaco son aquellos basados en hierro, existen otros desarrollados recientemente, que también proporcionan el mismo efecto. La siguiente tabla muestra algunos de los catalizadores que pueden ser utilizados en la industria de producción del amoníaco:
Categoría | Ejemplos |
Catalizadores basados en hierro | Magnetita (Fe3O4) Hematita (α-Fe2O3) |
Catalizadores basados en rutenio | Ru/CaFH Ru/CeO2 |
Catalizadores basados en electruros | Ru / [Ca24Al28O64]+4(e-)4 |
Catalizadores basados en cobalto | Co / CeO2 Co3Mo3N Co-BaH2 |
Catalizadores basados en nitruros metálicos | γ-Mo2NNi2Mo3N |
Tabla 1: Ejemplos de catalizadores.
La selección del catalizador más adecuado para cada situación permitirá reducir la temperatura de operación y la presión necesaria para el proceso. Asimismo, el desarrollo de nuevos catalizadores permitirá alcanzar la producción de amoníaco de forma sustentable en el futuro.
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