TC1 Quimica Inorganica

PRIMERA PARTE

N2 (g) + 3H2 (g) ========== 2 NH3 (g) + ΔH... (1)

El NH3 se obtiene exclusivamente por el método denominado proceso Haber-Bosch (Fritz Haber y Carl Bosch recibieron el Premio Nobel de química en los años 1918 y 1931). El proceso consiste en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrogeno gaseosos.

N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g) ΔHo = -46,2 kJ/mol

Es una reacción muy lenta, puesto que tiene una elevada energía de activación, consecuencia de la estabilidad del N2. Se emplea un catalizador de óxido de hierro que se reduce a Fe en la atmosfera de H2.

1. N2 (g) → N2 (absorbido)

2. N2 (absorbido) → 2 N (absorbido)

3. H2 (g) → H2 (absorbido)

4. H2 (absorbido) → 2 H (absorbido)

5. N (absorbido) + 3 H (absorbido) → NH3 (absorbido)

6. NH3 (absorbido) → NH3 (g)

Absorbido significa que el elemento o compuesto esta fijo al catalizador.

Determinen las molecularidades de cada paso

Los pasos elementales de reacción 1 2 3 4 y 6 son de orden 1, o bien unimoleculares, pues en los reactivos solo figura una molécula. El paso 5 parece ser de orden global 4 (1+3=4),

N (ads) + H (ads) --->NH (ads)

NH (ads) + H (ads) --->NH2 (ads)

NH2 (ads) + H (ads) --->NH3 (ads)

SEGUNDA PARTE

Según la evidencia experimental el paso determinante (más lento) de la reacción es el paso 2. Basado solo en esta información, presenten cual sería la expresión de la velocidad de reacción más probable, y el orden global de la reacción

Según la ley de velocidad de orden 1 en N2 y de orden cero en H2:

v = k [N2] o bien, para presiones parciales,

v = k P (N2)

Esto es una ley de orden 1 en N2, y aunque parezca absurdo de orden cero en H2. Cuando H2 es el reactivo limitante, puede ser que la velocidad también dependa de H2 en orden 1:

v = k' [N2] [H2]

En la expresión: v = k [A]x [B]m se denomina orden de reacción al valor suma de los exponentes “n + m”.

Se llama orden de reacción parcial a cada uno de los exponentes. Es decir, la reacción anterior es de orden “n” con respecto a A y de orden “m” con respecto a B.

Basado en la estructura química de los reactivos, .Por qué el paso determinante de la reacción es el 2?

Los estudios sobre el mecanismo de la reacción indican que la etapa determinante de la velocidad de la reacción es la ruptura de la molécula de N2 y la coordinación a la superficie del catalizador. El otro reactivo, H2, se activa más fácilmente. Se producen una serie de reacciones de inserción entre las especies adsorbidas para producir el NH3.

El catalizador funciona adsorbiendo las moléculas de N2 en la superficie del catalizador debilitando el enlace interatómico N-N; de esta forma se origina N atómico el cual reacciona con átomos de hidrogeno que provienen de la disociación de H2 que también tiene lugar en la superficie metálica.

TERCERA PARTE

Asumiendo que el factor de frecuencia (A, de la ecuación de Arrhenius) es 107 s-1 [5], prediga cuanto tiempo gastaría una mezcla de relación 1:3 de N2 y H2 en alcanzar una conversión del 80% A 25°C y a otra temperatura entre 150 y 500 °C, Con catalizador y Sin catalizador (tome Ea= 420 kJ/mol).Concluya brevemente sobre cómo influye el catalizador y la temperatura en el tiempo de conversión.

La variación de la constante de la velocidad con la temperatura viene recogida en la ecuación de Arrhenius:

K=AxC^(-EA/RT)

k = Constate de velocidad

A = constante

T = Temperatura absoluta

K=107*e^(420/(8,3143*298))→ K=126,75

K=107*e^(420/(8,3143*423))→ K=120,56

K=107*e^(420/(8,3143*773))→ K=114,22

Catalizadores

PARTE # 4

Escojan por lo menos dos condiciones de presión y temperatura y observen el rendimiento que le da la reacción cuando llega al equilibrio según el siguiente simulador:

http://www.freezeray.com/flashFiles/theHaberProcess.htmº

Presente los resultados de rendimiento para las condiciones escogidas en una tabla. Concluyan según estos resultados y el principio de Le’chatelier, como influyen la Temperatura y la presión en la conversión posible cuando se alcanza el equilibrio, teniendo en cuenta que la reacción es exotérmica.

Experiencia Concentración inicial (mol) Velocidad inicial (mol L-1s-1)

[NO] [H2]

T=500 y p=1000 0,064 0,022 2,6: 10-2

T= 650 y P= 1100 0,064 0,044 5,2. 10-2

T=100 y P = 120 0,128 0,022 0,10

PARTE # 5

Revisen la siguiente animación

http://www.wikisaber.es/contenidos/LObjects/12_ammonia_and_the_haber_process/

index.html

¿Por qué es necesario reciclar la salida del reactor, en vez de cambiar las condiciones de P y T para aumentar el rendimiento?

Porque se aplicaría:

La constante de velocidad, y por tanto la velocidad de una reacción, aumenta si aumenta la temperatura, porque la fracción de moléculas que sobrepasan la energía de activación es mayor. Así, aT2 hay un mayor porcentaje de moléculas con energía suficiente para producir la reacción (área sombreada) que a T1.

La variación de la constante de la velocidad con la temperatura viene recogida en la ecuación de Arrhenius:

K=AxC^(-EA/RT)

PARTE 6.

Manufactura del ácido nítrico

La forma general de representar a una reacción química es la siguiente:

aA+bB → cC+dD

Las letras minúsculas representan los coeficientes estequiométricos (número de moles) de cada una de las sustancias que participan en la reacción mientras que, las letras mayúsculas representan las fórmulas de los reactantes (A, B) y productos (C, D).

El paréntesis rectangular [ ] se utiliza para indicar la concentración de la sustancia está en moles por litro; es decir, que su concentración es molar.

Con base en lo anterior podemos entonces establecer la expresión matemática para la ley de acción de masas en una reacción química:

K=([C]^c [D]^d)/([A]^a [B]^b )

Ahora:

4NH_(3 (g))+5O_(2 (g)) ↔ 4NO_( (g))+6H_2 O_( (g)) a 800°C

La reacción esta en equilibrio químico

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