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Controlo da produção industrial. Fatores que influenciam a evolução do sistema reacional: Princípio de Le Chatelier. Alteração do equilíbrio à escala industrial.

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1 Controlo da produção industrial. Fatores que influenciam a evolução do sistema reacional: Princípio de Le Chatelier. Alteração do equilíbrio à escala industrial.

2 Henri Louis Le Châtelier Engenheiro Químico Francês Lei de Le Châtelier (conhecida como Princípio de Le Châtelier ): Se um sistema que se encontra em equilíbrio é sujeito a uma perturbação por variação na pressão, na temperatura ou na quantidade de qualquer componente, haverá tendência para a reação evoluir no sentido em que reduz o efeito dessa perturbação. Mostrou que quando se afeta o estado de equilíbrio de um sistema ele evolui para um novo estado de equilíbrio que é aquele que reduz parcialmente o efeito que o produziu

3 Aquecendo/Arrefecendo a mistura reacional Gás castanho - escuro Gás incolor N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) ΔH>0 T Evolui de acordo com o Princípio de Le CHâtelier T A reação evolui no sentido em que absorve energia - direto Reação endotérmica Ocorrendo a reacção endotérmica absorve energia baixando a temperatura do sistema Em geloEm água quente O que acontecerá ao valor da constante de equilíbrio deste sistema reacional? Irá aumentar Se aumentar A tende a diminuir Como classifiar energeticamente esta reação?

4 A evolução da reação prevista pelo Princípio de Le Châtelier pode ser explicada por comparação dos valores de K c e Q. Aumentando a concentração de reagente, o Q < K c, a reação evolui no sentido direto para diminuir a concentração dos reagentes aumentando a concentração de produtos até que Q = Kc. Aumentando/Diminuindo a concentração No instante em que se adiciona hidrogénio ao sistema em equilíbrio qual a relação entre Q e K c ? Q < K c Como irá evoluir o sistema reacional? N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g)

5 Aumentando a concentração de produtos, Q > K c, logo a reação evolui no sentido inverso diminuindo a concentração de produtos e aumentando a concentração de reagentes até que Q = Kc. Q > K c Aumentando a concentração de NH 3, como evoluirá a reação?

6 N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Considere a produção de amoníaco Como evoluirá o sistema reacional, quando se encontra em equilíbrio e se adiciona azoto?

7 (a) Mistura gasosa de azoto, hidrogénio e de amoníaco no equilíbrio N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) (b) A pressão é aumentada por diminuição de volume. A mistura deixa de estar em equilíbrio e Q c < K c. (c) A reação ocorre no sentido direto (da esquerda para a direita) diminuindo o número total de moléculas gasosas até o equilíbrio ser restablecido quando Q c = K c. Diminuição de volume = aumento de pressão Aumentando/Diminuindo a Pressão

8 Aumento de volume = diminuição de pressão = descompressão = expansão Sentido em que se produz menor número de moles de gás Sentido em que se produz maior número de moles de gás V V P P Diminuição de volume = aumento de pressão = compressão

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10 Catalisadores Afetam de igual modo a reação directa e a reação inversa por isso não alteram a composição do sistema no equilíbrio Os catalisadores apenas aumentam a rapidez com que o equilibrio é atingido.

11 Como se pode provocar alterações do equilíbrio químico quando se pretende trabalhar à escala industrial?

12 Síntese do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch A- Proporções de azoto e hidrogénio 1:3 B- Temperatura C- A pressão D- Catalisador Porquê este diagrama e não outro?

13 Síntese do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch A- Proporções de azoto e hidrogénio 1:3 Os reagentes, em qualquer reação, estarão sempre nas proporções estequiométricas? Em geral deve-se usar excesso do reagente mais barato se o outro for muito caro. (No processo de Haber Bosch o azoto é mais barato, no entanto, ambos os gases são reciclados) N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g)

14 Síntese do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch B- Temperatura N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) ΔH = -92 kJ mol -1 De acordo com o Princípio de Le Châtelier como será favorecida, aumentando ou diminuindo a temperatura? A temperatura de 400ºC-450ºC não é uma temperatura baixa. 1. Considerações de equilibrio Porque razão se utilizam estas temperaturas e não outras? 2. Considerações sobre rapidez da reação Menor temperatura implica maior tempo de reação. Mas é necessário que a mistura gasosa atinja o equilíbrio no menor intervalo de tempo possível. A mistura gasosa deve estar em contacto com o catalisador. Esta reação é favorecida por uma diminuição de temperatura.

15 Síntese do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch O rendimento da produção do amoníaco diminui com o aumento da temperatura qualquer que seja a pressão. A temperatura ºC permite a obtenção de amoníaco (rendimento 20%) num intervalo de tempo pequeno. O que acontece ao rendimento da reação quando se aumenta a temperatura?

16 C- A pressão N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) ΔH = -92 kJ mol -1 De acordo com o Princípio de Le Châtelier como será favorecida a produção de amoníaco, por altas ou baixas pressões? Usando pressão tão elevada quanto possível. !!! Porque razão se utilizam estes valores de pressão e não outros superiores? 2. Considerações sobre a rapidez da reação. 1. Considerações de equilíbrio 3. Considerações económicas 5. O compromisso O aumento de pressão facilita a aproximação das moléculas e o contacto com a superfície do catalisador aumentando a rapidez da reacção Processos industriais a altas pressões têm riscos explosão, condicionando a segurança do processo. A pressão de 200 atm é uma pressão de compromisso devido aos custos das altas pressões. 4. Condições de segurança Processos industriais a altas pressões são dispendiosos quer na fase de construção quer na produção quer na manutenção das instalações

17 D- Catalisador 1. Considerações de equilíbrio De que modo é que a utilização de um catalisador afeta a produção do amoníaco? Não tem qualquer efeito na composição de equilíbrio 2. Considerações sobre a rapidez da reação A produção de amoníaco na ausência do catalisador é muito lenta e a utilização do catalisador (Ferro) aumenta a rapidez com que se obtém uma certa quantidade de amoníaco, fazendo com que os gases reajam no curto intervalo de tempo durante o qual permanecem dentro do reator.

18 O compromisso A temperatura ºC permite a obtenção de amoníaco (rendimento 15%) num intervalo de tempo pequeno. A reciclagem do azoto e do hidrogénio tornam o processo não dispendioso ( não sendo necessário adicionar o azoto em excesso ). A pressão de 200 atm ( e não superior ) é uma pressão de compromisso devido aos custos das altas pressões relativamente à construcção e manutenção de sistemas ( reatores e outros ) de altas pressões, para que haja segurança das instalações para os trabalhadores e populações vizinhas da instalação industrial. O catalisador – Ferro, aumenta a rapidez com que se obtém uma certa quantidade de amoníaco, fazendo com que os gases reajam no curto intervalo de tempo durante o qual permanecem dentro do reator. O conjunto de valores para as variáveis que permite um compromisso - maior rendimento da reação directa versus custos-segurança é o que estabelece uma temperatura de cerca de 450 °C e uma pressão de 200 atm, com a introdução de um catalisador.

19 Resolver APSA 9, 10, 11 e 12


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