Fixação Industrial do Nitrogênio

Licenciatura Plena em Química (Universidade de Cruz Alta, 2004)
Mestrado em Química Inorgânica (Universidade Federal de Santa Maria, 2007)

O processo industrial mais importante na fixação do nitrogênio é o processo Haber-Bosch. Fritz Haber descobriu como combinar diretamente, em laboratório, N2 e H2, (equação representada abaixo). Ele recebeu o prêmio Nobel de Química em 1918. Carl Bosch foi um engenheiro químico que desenvolveu os equipamentos necessários para a produção industrial de amônia aproveitando essa reação. Ele também recebeu o Prêmio Nobel de Química, mas em 1931, por suas pesquisas sobre reações a altas pressões.

A reação é reversível, e o princípio de Le Chatelier sugere que são necessárias altas pressões e baixas temperaturas para deslocar o equilíbrio para a direita, formando assim o NH3. Em temperaturas menores a percentagem de conversão é maior, mas a reação atinge o equilíbrio muito lentamente, sendo necessário um catalisador. Na prática, as condições empregadas são 200 atmosferas de pressão, uma temperatura de 380–450 °C, e um catalisador de “ferro ativado”.

É mais econômico usar uma temperatura mais elevada, mesmo que a percentagem de conversão em NH3 seja menor, pois o equilíbrio será atingido mais rapidamente. Com temperaturas de cerca de 400°C obtém-se uma conversão de 15%, com apenas uma passagem pelo catalisador. A mistura gasosa é esfriada para formar NH3 líquida, e a mistura dos gases N2 e H2 é reciclada. As instalações são feitas de uma liga de aço com níquel e cromo. A produção mundial de NH3 aumentou de cerca de 1 milhão de toneladas por ano em 1950 para 110 milhões em 1992. Mesmo assim não é o produto químico fabricado em maior quantidade em massa. Contudo, como o NH3 tem uma massa molecular muito pequena, ela é a substância produzida em maior quantidade em número de mol. Os maiores produtores são a “Rússia (27%), China (21%), EUA (18%), Canadá (4%), Romênia e Alemanha (4% cada), Holanda e México (3% cada), Polônia e Itália (2% cada)”1.

Os processos químicos capazes de fixar o nitrogênio atmosférico, onde destaca-se o processo Haber-Bosch (síntese da amônia) envolve o uso de elevadas temperaturas e pressões. Entretanto, as bactérias fixam o nitrogênio facilmente à temperatura ambiente e pressão atmosférica, enquanto o homem necessita de dispendiosas instalações e o emprego de altas temperaturas e pressões para fazer o mesmo. Calcula-se que cerca de 175 milhões de toneladas de N2 são fixados pelas bactérias anualmente. Essa quantidade pode ser comparada com os 110 milhões de toneladas de NH3 produzida industrialmente em 1992 (principalmente pelo processo Haber-Bosch).

Muitos esforços estão sendo despedidos na pesquisa de catalisadores de metais de transição capazes de absorver nitrogênio e produzir amônia para fertilizantes por um custo menor, sem a necessidade de utilizar altas temperaturas e pressões. O primeiro complexo de dinitrogênio, o cátion pentamin(dinitrogênio)rutênio(II), foi obtido em 1965 por meio da redução do tricloreto de rutênio com hidrazina. Subsequentemente, outros métodos foram desenvolvidos, como meio da substituição de um ligante lábil de um complexo por N2.

Referências:
1. LEE, J. D.; Química Inorgânica Não Tão Concisa, Sãp Paulo, Chapman & Hall, 236-239, 1996.
RUSSELL, John B.; Química Geral vol.1, São Paulo: Pearson Education do Brasil, Makron Books, 1994.
LUFTI, Mansur; Os Ferrados e os Cromados: produção social e apropriação privada do conhecimento químico, Ed. UNIJUI, Ijuí/RS – 1992.

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