Sintesi dell’ammoniaca: Il ruolo del catalizzatore nella produzione
La sintesi dell’ammoniaca da azoto ed idrogeno richiede condizioni specifiche di temperatura e pressione e l’impiego di un adatto catalizzatore. La storia dei derivati dell’azoto è strettamente legata al problema più ampio della fissazione dell’azoto atmosferico per l’uso in agricoltura e nell’industria chimica.
Storia
Fino al 1800, le principali fonti di azoto erano sottoprodotti di origine organica e limitate quantità di sali azotati, come il KNO3. Durante i primi decenni del 1800, furono scoperti ricchi giacimenti di nitrato di sodio di origine animale in alcune isole del Cile, che soddisfecero la richiesta crescente per i successivi due secoli. Tuttavia, con l’aumento delle esigenze di fertilizzanti per l’agricoltura e di esplosivi, sorse la necessità di produrre ammoniaca per sintesi dagli elementi.
Reazioni nella sintesi dell’ammoniaca
Il chimico Fritz Haber riuscì a ottenere la sintesi industriale dell’ammoniaca utilizzando azoto e idrogeno in presenza di un catalizzatore eterogeneo a base di ferro. La reazione di sintesi dell’ammoniaca è esotermica e procede verso destra in modo significativo a temperature relativamente basse e a pressioni alte.
Il ruolo del catalizzatore nella sintesi dell’ammoniaca
Haber si rese conto che la sintesi dell’ammoniaca sarebbe stata possibile con l’impiego di un catalizzatore che rendesse la reazione veloce a temperature abbassate e con un riciclo della miscela idrogeno-azoto. Il problema del catalizzatore fu parzialmente superato con l’utilizzo di tetrossido di osmio OsO4, ma a causa dei costi e della scarsa disponibilità di questo catalizzatore, Haber individuò il ferro attivato con ossidi di metalli alcalini come alternativa.
Dalla scoperta di questa soluzione, la produzione di ammoniaca a partire dagli elementi ha continuato a crescere. Oggi, la produzione di ammoniaca comprende quattro stadi fondamentali: la produzione del gas di sintesi, la conversione dell’ossido di carbonio a biossido di carbonio, la sintesi dell’ammoniaca e il trattamento dei gas prodotti.
In conclusione, la sintesi dell’ammoniaca da azoto ed idrogeno richiede condizioni specifiche e l’impiego di un catalizzatore adatto, rappresentando ancora oggi una delle principali produzioni industriali del settore chimico.La produzione di idrogeno secondo la reazione CO + H2O → CO2 + H2 comporta diversi passaggi.
Prima di tutto avviene l’estrazione del gas metano mediante reazioni di reforming elettrotermico o mediante il processo di gassificazione. Successivamente si procede con la produzione di idrogeno attraverso la reazione del vapore in presenza di un catalizzatore. Segue poi l’assorbimento del biossido di carbonio e la purificazione finale, prima della compressione e sintesi.
Usi
La produzione mondiale di ammoniaca nel 2004 può essere valutata in circa 109 milioni di tonnellate. La maggior parte di essa è impiegata nei fertilizzanti, direttamente o sotto forma di composti ammoniacali come solfati e fosfati di ammonio, nitrati vari e nitrato di ammonio. Tuttavia, l’uso dei derivati dell’ammoniaca per fini agricoli contribuisce all’inquinamento atmosferico a causa dell’emissione di ammoniaca, inquinante coinvolto nella formazione di polveri sottili.
La parte restante viene impiegata principalmente nell’industria chimica, con particolare rilievo nella produzione di acrilonitrile nell’industria tessile e di nitroderivati organici per l’industria degli esplosivi. Ad esempio, la reazione tra acido nitrico e ammoniaca produce il nitrato di ammonio, considerato un esplosivo nella sua forma più pura. Un altro impiego importante dell’ammoniaca avviene nell’industria del freddo.
Nell’industria alimentare, l’ammoniaca viene utilizzata come gas refrigerante, garantendo un rendimento nettamente superiore rispetto ad altri fluidi. Tuttavia, è necessario prestare scrupolosa attenzione alla sua tossicità, essendo irritante per gli occhi, le mucose e le vie respiratorie, nonché in grado di provocare ustioni alla pelle a causa della sua azione caustica e dell’effetto refrigerante.