UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Química inorgánica

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS AGRICOLA, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE

ECAPMA

TRABAJO COLABORATIVO 1

Nombre del Curso: QUÍMICA INORGÁNICA

Código: 358005

Segundo semestre de 2013

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Química inorgánica

Objetivos:

Aplicar los conceptos aprendidos en la unidad 1 en el contexto por medio del estudio del “proceso de haber” y algunas reacciones asociadas a la producción de fertilizantes.

Fomentar el trabajo en equipo y la interrelación entre los estudiantes con el fin de acercarlos a la producción en un equipo de trabajo.

Actividad

Ustedes son emprendedores que quiere crear una empresa nacional de fertilizantes que ofrezca precios competitivos a los productores campesinos. Por esa razón, el propósito de este trabajo es analizar algo de la química relacionada con su fabricación.

Proceso de Haber-Bosh: Cinética

El proceso de Haber-Bosh, es un proceso industrial usado para producir amoniaco a partir de hidrogeno y oxígeno gaseoso. Antes de su invención durante la primera guerra mundial, solo se podía utilizar a gran escala el amoniaco proveniente de depósitos de estiércol o de sedimentos orgánicos. Actualmente, este proceso inorgánico permite la fabricación de fertilizantes de nitrógeno en formas químicas asimilables por las plantas; y es tan importante que se estima que actualmente la mitad de la proteína de los seres humanos está hecha de nitrógeno que fue originalmente fijado por este proceso (el restante fue fijado por bacterias y archea) [2].

La reacción involucrada en el proceso de Haber-Bosh:

Para que la reacción de producción de amoniaco ocurra es necesario utilizar un catalizador;

que principalmente es Hierro.

1) Para la reacción de producción de amoniaco, se cree que el mecanismo de reacción es el siguiente:

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 está fijo al catalizador.

Determinen las molecularidades de cada paso

2) 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

Bono (5 puntos): Basado en la estructura química de los reactivos, ¿Por qué el paso determinante de la reacción es el 2?

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La figura presenta cual sería la velocidad de Energía de activación con y sin catalizador.

Asumamos que la reacción es irreversible, y se rige por la expresión de velocidad de reacción que está dada en (4).

3) Asumiendo que el factor de frecuencia (A, de la ecuación de Arrhenius) es 10

3 s

-1, 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 otra temperatura a escoger dependerá de su número de grupo:

T = 150 + 5*No. Grupo

Proceso de Haber-Bosh: incluyendo termodinámica

Hasta el momento se ha asumido que la reacción es irreversible, pero en realidad la reacción es reversible; parte del NH3 se reconvierte en N2 y H2 con cierta velocidad de reacción que va variando hasta que se alcanza un equilibrio, en el que la concentración promedio de NH3, N2 y H2 no cambia. En este equilibrio, se puede definir una constante de equilibrio que determina hasta dónde puede llegar la reacción.

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.htm

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.

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?

Manufactura del ácido nítrico

El ácido nítrico es uno de los ácidos inorgánicos más importantes, se utiliza para producir fertilizantes. El proceso más conocido para producirlo es el proceso de Oswald. [3]

(1) 4NH3(g) + 5O2(g) ↔ 4NO(g) + H2O(g) a 800°C (2) 2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g) sin catalizador (3) 2NO2(g) + H2O(l) ↔ HNO2(ac) + HNO3(ac)

(4) 3HNO2(ac) ↔ HNO3(ac) + H2O(l) + H2O(l) + 2NO(g)

El NO generado se recircula para producir más NO2 en el segundo paso.

La primera reacción es determinante y requiere de utilizar un catalizador

Figura 1. Energías de activación para el proceso de Haber –bosh con y sin catalizador [8]

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6) Presenten las expresiones de las constantes de equilibrio para las reacciones del proceso de Oswald

7) ¿Cuál sería la relación entre la constante de reacción entre 4NH3(g) + 5O2(g) →4NO(g) + H2O(g) y NH3(g) + 5/4O2(g) →NO(g) + 1/4H2O(g)?

8) Si hacer ningún cálculo, indiquen si la entropía de la reacción ∆SR es positiva o negativa para las 4 reacciones.

9) Calculen ∆GR. ¿cuál es la constante de equilibrio a presión constante Kp? ¿cuál es la constante de equilibrio en términos de concentraciones Kc? Tome una presión de operación entre 4 y 10 atm

La otra temperatura a escoger dependerá de su número de grupo: P = 3.9 + 0.1*No. Grupo

10) Asuman que ∆SR y ∆HR se mantienen relativamente constantes con la temperatura. Calculen ∆GR

a la temperatura a la que ocurre la reacción en el ciclo del Oswald. ¿Cómo cambió la espontaneidad de la reacción?

Fertilizantes de fosfatos y de potasio

Los fertilizantes fosfatados se producen principalmente a partir de roca fosfórica; cuyo principal origen son los depósitos minerales acumulados en sedimentos marinos. La roca fosfórica pulverizada se hace reaccionar con ácidos como el ácido nítrico o el ácido fosfórico para obtener sales de ácido sulfúrico; o se puede aplicar directamente a los suelos.

Fosfato

Las principales reacciones de producción de los fertilizantes fosfatados son:

(1) Superfosfato triple :

Ca5(PO4)3F(s) + 5H2SO4(ac) + 10H2O(l) →3H3PO4(s) + 5CaSO4.2H2O(s) + HF(g)

(2) superfosfato triple concentrado:

Ca5(PO4)3F(s) + 7H3PO4(ac) + 5H2O(l) →5Ca(H2PO4)2.H2O(s) + HF(g)

(3) fosfato monoamónico:

H3PO4 (ac) + NH3 (ac) → NH4H2PO4 (s)

(4) fosfato diamónico H3PO4 (ac) + 2NH3 (ac) → (NH4)2HPO4 (s)

Las plantas asimilan el potasio que en presencia de agua queda en forma de fosfato HPO 42-

o H2PO4-.

Potasio

El potasio utilizado en los fertilizantes se produce a partir de depósitos que provienen de la evaporación de agua del mar, disponibles solo en algunos países [3]. En Saskatchewan, la reserva mundial más grande, se encuentran depósitos de silvita KCl. Sin embargo, las formas más comunes de comercialización son carbonato de potasio y cloruro de potasio.

El potasio puede agregarse al suelo como KCl, pero cuando los suelos están saturados con C l- o se utilizara el potasio en cultivos sensible al cloro como las uvas, se convierte el K 2SO4 a KCl por medio de los siguientes métodos:

Proceso de Mannheim:

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(5) 2KCl(s) + H2SO4(ac) → K2SO4(s) + 2HCl(ac)

ProcesoHargreaves

(6) 4KCl(s) + 2SO2(g) + O2(g) + H2O(g) → 2K2SO4(s) + 4HCl(ac)

Método con NaSO4:

(7) 3KCl(s) + 4Na2SO4 (ac) → 4K2SO4 (s) + 8NaCl (ac)

Método con HNO3

(8) KOH(g) + HNO3(ac) →KNO3(s) + H2O(l)

Para la agricultura, una de las formas más populares de comercialización de los fertilizantes es en mezclas que incluyan todos los compuestos que la planta necesita. Esto se realiza mezclando sales de estos compuestos en seco o en solución, o tratando la roca fosfórica con ácido nítrico, el cual es un proceso más económico que la mezcla de sales. Estas mezclas se denominan en el mercado NPK, NP, NK o PK, dependiendo de que contengan Nitrógeno, Fósforo o Potasio. Estas mezclas tienen una buena granulación y la disponibilidad de los nutrimentos para la planta es lata. (Stanfield, 1953 citado por [1]). Las etiquetas de estos fertilizantes varían según la composición, por ejemplo para un fertilizante NPK, la etiqueta sería 17-15-6, indicando que tiene un 17% de nitrógeno, un 15% de óxido de Fósforo (expresado como P2O5) y un 6% e óxido de potasio (K2O), siendo el restante 62% materiales inertes u otras sales [1])

11) Tomen una de las reacciones presentadas para sintetizar fertilizantes:

La reacción a escoger dependerá de su grupo: No. Grupo/8 (tomen el entero más cercano)

Presenten la expresión de la constante de equilibrio y calculen ∆HR y ∆GR a condiciones estándar y concluyan si la reacción sería posible y si sería exotérmica o endotérmica a condiciones estándar.

Para los datos de sustancias químicas que necesita, como entalpías y entropías de formación, consulte las fuentes referenciadas en el capítulo 3, como (http://courses.chem.indiana.edu/c360/documents/thermodynamicdata.pdf), y el anexo al trabajo colaborativo en el enunciado del foro.

Bono (10 puntos): La producción (aunque también el uso) de fertilizantes inorgánicos genera diferentes desechos gaseosos, sólidos y líquidos que tienen implicaciones ambientales. Explique brevemente alguna de estas implicaciones relacionada con las reacciones revisadas en esta guía.

Guía para la presentación del trabajo escrito

El trabajo deberá realizarse siguiendo las normas ICONTEC o APA para la presentación de trabajos escritos, como debe ser para un informe de un equipo de futuros tecnólogos e ingenieros ambientales

Portada (1 página)

Proceso de Haber-Bosh: cinética (2 páginas, 3 si incluye el enunciado)

Proceso de Haber-Bosh: incluyendo termodinámica (1 página, 1 ½ si incluye el enunciado)

Manufactura del ácido nítrico (1 ½ página, 2 si incluye el enunciado)

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Fertilizantes de fosfatos y de potasio (1 página, 1 ½ si incluye enunciado)

Bonos (Opcional, máximo ½ páginas en total)

Bibliografía y anexos (Sin límite)

En cuanto a la cibergrafía que utilicen recuerden evaluar la calidad de las fuentes electrónicas que usen, se desestimarán fuentes con credibilidad dudosa como “rincón del vago” “yahoo answers”. Wikipedia no puede ser la única fuente utilizada.

El trabajo final debe presentarse con el nombre: “TC1QI _GrupoXX.pdf”. Todos los cálculos realizados deben ser presentados, ya sea como un documento Excel anexo o como un anexo al informe final en Word. Si se adjunta el respaldo en Excel, “TC1.cálculos:GrupoXX.xls”. Si no, este debe ir como anexo en Word, ya sea a mano (escáner en jpg) o en ecuaciones de Word.

La copia de internet sin realizar las citaciones y referencias adecuadas, así como la copia de trabajos de otros grupos, se considera plagio, y es una falta grave de fraude. Cualquier fraude cometido en el desarrollo de esta actividad, se penalizará con una nota de cero (0).

Formato de entrega del trabajo

Hoja tamaño carta

Márgenes arriba, y abajo (2.5 cm) izquierda y derecha (2 cm)

Interlineado sencillo

Fuente Arial o Times New Roman entre 10 y 12

Formato de archivo PDF

Evaluación: En la evaluación del trabajo se tendrá en cuenta la calidad de la redacción y de la ortografía, el apego a las guías propuestas del trabajo, la calidad de la información contenida y la presentación y formato del documento Bibliografía: [1] Universidad Nacional Autónoma de México, Colegio de Ciencias y Humanidades (2011). Guía de autoestudio para preparar el examen extraordinario de Química III. [En línea] Disponible en: http://www.cch-sur.unam.mx/guias/experimentales/quimicaIII.pdf

[2] Quarkology.com. 9.4.B-The Haber process. [En línea] disponible en: http://www.quarkology.com/12-chemistry/94-chemical-monitoring/94B-haber-process.html

[3] Chemical Kinetics. [En linea] Disponible en: http://highered.mcgraw-hill.com/sites/dl/free/0073402680/931039/Chapter_13.pdf

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[4] Gray Darensbourg, Dickerson (1992). Principios de química. 3ra edición. Editorial Reverté. http://books.google.com.co/books?id=vVt6frGy9mgC&pg=PA132&lpg=PA132&dq=velocidad+reacci%C3%B3n+NO+N2+O2&source=bl&ots=FvQHg-RE6G&sig=Gv4OGa6mnSZkTcbBnbwJhDxAYH0&hl=es#v=onepage&q=velocidad%20reacci%C3%B3n%20NO%20N2%20O2&f=false

[5] G. Ertl, S.B. Lee, M. Weiss, Kinetics of nitrogen adsorption on Fe(111), Surface Science, Volume 114, Issues 2–3, 1 February 1982, Pages 515-526, ISSN 0039-6028, http://dx.doi.org/10.1016/0039-6028(82)90702-6. Disponible en: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0039602882907026

[6] AUS-eTUTE. Uses and production for ammonia (Haber Process). [En línea] Disponible en: http://www.ausetute.com.au/haberpro.html

[7] Capitulo II Fosfatos. [En línea] Disponible en: http://www.unsam.edu.ar/institutos/centro_ceps/investigaciones/fertilizantes/capitulo3.pdf

[8] Jayant M Modak. Haber Process for Ammonia Synthesis. [En línea] Disponible en: http://www.ias.ac.in/resonance/Volumes/16/12/1159-1167.pdf

[9] Wikipedia. Haber Proces. [En línea] Disponible en: http://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process