La sintesi dell’ammoniaca è un esempio di catalisi eterogenea.
Nella catalisi eterogenea il catalizzatore e il reagente sono in due fasi differenti. Il catalizzatore è una molecola che riduce l’energia di attivazione di una reazione. Due fasi differenti possono essere fluido-solido o due liquidi immiscibili.
La sintesi dell’ammoniaca avviene dall’incontro dell’idrogeno H2 con l’azoto N2.
Dal syngas all’idrogeno
L’idrogeno deriva dal syngas (metanazione), quest’ultimo deriva dall’ossidazione di idrocarburi come il metano CH4: CH4 + ½ O2 → CO + 2 H2, ma avendo bisogno anche dell’azoto si usa l’aria atmosferica anziché l’ossigeno, infatti l’aria contiene il 79% di N2 e il 20% di O2.
La via principale di produzione è il Processo Haber-Bosch
Nella prima fase si fa reagire il metano CH4 con l’acqua: CH4 + H2O > CO + 3H2.
Nella seconda fase si aggiunge aria, cioè N2 ed O2, il metano reagisce con l’ossigeno: 2CH4 + O2 > 2CO + 4H2.
Nella terza fase si elimina il monossido di carbonio aggiungendo acqua: CO + H2O > CO2 + H2.
L’anidride carbonica esce dal processo, abbiamo solo N2 ed H2, quarta fase:
la reazione è N2 + 3H2 > 2NH3.
La reazione di produzione dell’ammoniaca NH3 avviene in presenza di un catalizzatore ferroso, a 450°C (+-100°C) e 300 bar (-150 e + 20 bar).
La difficoltà della reazione è la rottura del triplo legame dell’N2, per la quale necessiterebbero temperature elevatissime, da quì l’uso del catalizzatore ferroso.
Il catalizzatore ferroso reagisce con l’N2 e l’H2. Il catalizzatore dona elettroni ai reagenti e così indebolisce il legame delle due coppie N2 e H2. Il ferro trattiene a sé i singoli atomi di azoto e idrogeno che così possono più facilmente interagire formando l’ammoniaca con un consumo energetico inferiore.
La catalisi è eterogenea, perchè i reagenti sono adsorbiti sulla superficie del catalizzatore (ferro), avvenuta la reazione i prodotti si staccano dalla superficie ferrosa.
Invece nella catalisi omogenea il catalizzatore è disciolto nel mezzo di reazione.
La reazione è esotermica: libera 92,4 kJ/mole.
Uso dell’ammoniaca e problemi ambientali
Il 70% dell’ammoniaca prodotta è utilizzata per i concimi azotati, senza di questi un terzo della popolazione mondiale morrebbe di fame. Il 20% diventa acido nitrico HNO3 usato per produrre nylon, esplosivi e altri fertilizzanti. Il 10% restante entra nella refrigerazione ed entra nella produzione di sali d’ammonio usati anche come detergenti.
La sintesi dell’ammoniaca è svolta quasi esclusivamente con il processo di Haber-Bosch, consuma il 4% del gas naturale estratto, ed emette l’1,2% dell’anidride carbonica da attività umana.
La sintesi dell’ammoniaca nelle leguminose
Invece in natura le leguminose compiono la sintesi dell’ammoniaca con la simbiosi rizobica. I rizobi sono batteri annidati nei noduli delle radici, quì l’enzima nitrogenasi utilizza l’aria: N2 + 8H+ + 8e- > e consumando 8 ATP ottiene > 2NH3 + H2.