Procédé Haber et engrais NPK : rapports, conditions et sels
Introduit| English | Sens |
|---|---|
| NPK fertiliser | engrais NPK |
| Haber process/ˈheɪbə ˈprəʊses/ | Procédé Haber |
Le recyclage des gaz rend-il l'engrais sans ressources ?
- Le retour des gaz non réagis améliore l'utilisation des matières premières. Il n'élimine pas l'énergie nécessaire pour chauffer et comprimer les gaz ni les ressources requises pour fabriquer les sels.
- Cette leçon de Chimie Séparée couvre la fabrication Haber et les engrais NPK. La boucle de procédé est requise aux deux niveaux ; l'évaluation équilibre/cinétique est explicitement niveau supérieur (HT).
Suivre la boucle Haber
- Le procédé Haber fabrique de l'ammoniac. L'azote provient de l'air ; l'hydrogène peut provenir du gaz naturel réagi avec de la vapeur. Les gaz purifiés passent sur du fer à environ 450 °C et environ 200 atmosphères : $N_2+3H_2\rightleftharpoons2NH_3$.
- Le refroidissement liquéfie l'ammoniac pour son retrait. L'azote et l'hydrogène non réagis retournent au réacteur. La réaction étant réversible, la conversion par passage diffère de la conversion globale après recyclage répété.
Quel flux est renvoyé au réacteur Haber après refroidissement ?
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Le refroidissement élimine l'ammoniac liquéfié ; l'azote et l'hydrogène non réagis retournent. Le recyclage améliore l'utilisation des matières premières, mais le chauffage et la compression nécessitent toujours de l'énergie.
Utiliser le rapport stœchiométrique par passage
- L'alimentation contient 2 mol d'azote et 6 mol d'hydrogène. Si seule 1 mol d'azote réagit, elle consomme 3 mol d'hydrogène et forme 2 mol d'ammoniac. Les gaz restants sont 1 mol d'azote et 3 mol d'hydrogène.
- Si toute l'alimentation initiale était convertie, le maximum théorique serait 4 mol d'ammoniac. Ne pas utiliser ce maximum comme quantité réellement produite lors du passage spécifié. L'équation équilibrée conserve les atomes d'azote et d'hydrogène.
HT : équilibrer vitesse, rendement et coût
- La réaction directe est exothermique. Une température plus basse favorise le rendement d'équilibre de l'ammoniac mais ralentit la réaction ; une température plus élevée augmente la vitesse mais diminue le rendement d'équilibre. Interpréter les graphiques de vitesse et d'équilibre comme des quantités distinctes.
- Une pression plus élevée favorise l'ammoniac car quatre molécules gazeuses réactives deviennent deux molécules de produit, mais la compression et le matériel robuste consomment de l'énergie et coûtent cher. Le fer accélère les deux sens de réaction et l'approche de l'équilibre sans en modifier la position. Les conditions industrielles constituent un compromis, et non un rendement d'équilibre maximal possible.
À température et pression inchangées, le fer augmente le rendement d'équilibre de l'ammoniac.
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Le fer accélère les réactions directe et inverse, atteignant l'équilibre plus rapidement sans en modifier la position. Cette distinction HT sépare la vitesse du rendement d'équilibre.
Fournir l'azote, le phosphore et le potassium
- Un engrais NPK est une formulation de sels fournissant trois éléments nutritifs. L'ammoniac peut former des sels ammonium et de l'acide nitrique. La neutralisation donne du nitrate d'ammonium : $NH_3+HNO_3\rightarrow NH_4NO_3$.
- Le chlorure de potassium, le sulfate de potassium et la roche phosphatée sont extraits. La roche phosphatée n'est pas directement utilisable comme engrais ; son traitement permet d'obtenir des sels solubles exploitables. L'acide phosphorique ne fournit pas de potassium par lui-même.
Quel sel d'ammonium se forme lorsque l'ammoniac neutralise l'acide nitrique ?
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NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃, nitrate d'ammonium. Celui-ci fournit de l'azote, tandis qu'une formulation NPK complète fournit également du phosphore et du potassium.
Distuer trois traitements de roche phosphatée
- Le traitement à l'acide nitrique produit du nitrate de calcium et de l'acide phosphorique. L'acide sulfurique forme le superphosphate simple contenant du dihydrogénophosphate de calcium avec du sulfate de calcium.
- L'acide phosphorique forme le superphosphate triple contenant du dihydrogénophosphate de calcium sans cette composante sulfatée. Ne pas appeler tout traitement acide simplement « superphosphate », et ne pas confondre une source de phosphore avec une source de potassium.
Reliez chaque terme à sa signification précise.
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Utilisez la structure chimique, le procédé ou la frontière de comparaison pour distinguer les termes.
Comparer le même sel en laboratoire et en industrie
- Une neutralisation/titration soigneusement contrôlée en laboratoire suivie d'une évaporation et d'une cristallisation peut produire un solide pur. Une titration en laboratoire ne donne pas intrinsèquement un produit impur.
- L'industrie peut intégrer la production d'ammoniac/et d'acide, récupérer la chaleur et maintenir une grande production, mais nécessite du matériel et un contrôle des émissions. Comparer l'énergie fournie par unité, la pureté, l'échelle, le matériel, les déchets et les coûts ; dire que « l'industrie est toujours meilleure » n'est pas une évaluation.
Lesquelles des deux affirmations limitent correctement une comparaison de fabrication ?
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Une titrage en laboratoire n'est pas intrinsèquement impur. L'industrie offre l'échelle et l'intégration mais nécessite tout de même de l'énergie et de l'équipement ; évaluer les critères réels et les données.
Appliquer la méthode à une nouvelle alimentation
- Alimentation indépendante : 3 mol d'azote et 9 mol d'hydrogène. Si 2 mol d'azote réagissent au passage, 6 mol d'hydrogène réagissent, 4 mol d'ammoniac se forment et il reste 1 mol d'azote ainsi que 3 mol d'hydrogène.
- Un catalyseur peut atteindre l'équilibre plus rapidement, mais ne peut augmenter la quantité d'équilibre à température et pression inchangées. Donner une raison basée sur la cinétique ou l'équilibre, puis un facteur coût/condition limitant l'affirmation industrielle.
Suivre le processus, utiliser un rapport équilibré, distinguer la vitesse du rendement d'équilibre, et identifier les sels nutritifs réels ainsi que la comparaison de fabrication.
Un apport contient 3 mol d'azote et 9 mol d'hydrogène. Si 2 mol d'azote réagit en une passe, combien de moles d'ammoniac se forment ?
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N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Deux moles d'azote consomment 6 moles d'hydrogène et forment 4 moles d'ammoniac, laissant 1 moles d'azote et 3 moles d'hydrogène. Le maximum théorique sur tout l'apport de 6 moles n'est pas le montant indiqué par passe.