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Universidad Nacional Abierta a Distancia- UNADEscuela de Ciencias Agrcolas, Pecuarias y del Medio AmbienteQumica inorgnica

TRABAJO COLABORATIVO 1

QUMICA INORGNICA

CRISTIAN ALFONSO CELY

COD. 8358005

ZULAY PAOLA QUINTERO MORALES

COD. 1065569438JOHNNY TORRES MEDINA

COD. 7.333.763

CAROL TATIANA GOMEZ

COD. 94112205335

XIMENA STEFANYA SANABRIA GARAVITO

COD. 95022105192

PRESENTADO A:

SHIRLEY ELIANA CAMACHO

TUTOR VIRTUAL

GRUPO: 358005_60

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNADESCUELA DE CIENCIAS AGRCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO

AMBIENTE

Noviembre 2013
http://66.165.175.209/campus17_20132/user/view.php?id=522554&course=1582http://66.165.175.209/campus17_20132/user/view.php?id=522554&course=1582

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Proceso de Haber-Bosh: Cintica

El proceso de Haber-Bosh, es un proceso industrial usado para producir amoniaco a partirde hidrogeno y oxgeno gaseoso. Antes de su invencin durante la primera guerra mundial,

solo se poda utilizar a gran escala el amoniaco proveniente de depsitos de estircol o desedimentos orgnicos.

Actualmente, este proceso inorgnico permite la fabricacin de fertilizantes de nitrgeno enformas qumicas asimilables por las plantas; y es tan importante que se estima queactualmente la mitad de la protena de los seres humanos est hecha de nitrgeno que fueoriginalmente fijado por este proceso (el restante fue fijado por bacterias y archea) [2].

La reaccin involucrada en el proceso de Haber-Bosh:

Para que la reaccin de produccin de amoniaco ocurra es necesario utilizar un catalizador;que principalmente es Hierro.

1) Para la reaccin de produccin de amoniaco, se cree que el mecanismo de reaccin es elsiguiente:1. N2 (g) N2 (absorbido)

Molecularidad de N2 (g) N2 (absorbido), proceso unimolecular solo necesita unamolcula como reactivo: N2 (g).

2. N2 (absorbido) 2 N (absorbido) Molecularidad de N2 (absorbido) 2 N (absorbido), pro ceso unimolecular solonecesita una molcula como reactivo: N2 (adsorbido).

3. H2 (g) H2 (absorbido) Molecularidad de H2 (g) H2 (absorbido). Proceso unimolecular solo necesita unamolcula como reactivo: H2 (g).

4. H2 (absorbido) 2 H (absorbido)

Molecularidad de H2 (absorbido) 2 H (absorbido), proceso unimolecular solonecesita una molcula como reactivo: H2 (adsorbido).

5. N (absorbido) + 3 H(absorbido) NH3 (absorbido)

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Molecularidad de N (absorbido) + 3 H (absorbido) NH3 (absorbido), procesotermomolecular necesita ms de 3 molculas, en total 4 una de N (adsorbido) y 3 deH (adsorbido).

6. NH3 (absorbido) NH3 (g) Molecularidad de NH3 (absorbido) NH3 (g), proceso unimolecular solo necesitauna molcula como reactivo: NH3 (adsorbido).

2) Segn la evidencia experimental el paso determinante (ms lento) de la reaccin es el paso 2. Basado solo en esta informacin, presenten cual sera la expresin de lavelocidad de reaccin ms probable, y el orden global de la reaccin.

La figura presenta cual sera la velocidad de Energa de activacin con y sin catalizador.

Asumamos que la reaccin es irreversible, y se rige por la expresin de velocidad dereaccin que est dada en (4).

Figura 1.Energas de activacin para el proceso de Haber bosh con y sin catalizador [8]

3) Asumiendo que el factor de frecuencia (A=de la ecuacin de Arrhenius) es A= 10 -7 s -1 [5]. Prediga cunto tiempo tardar una mezcla de relacin 1:3 de N 2 y H 2 en alcanzaruna conversin del 80% a 25C (298,15 K) y a otra temperatura entre 150C y 500C,con catalizador y sin catalizador (tome Ea = 420 kJ/mol.) Concluya brevemente cmoinfluye el catalizador y la temperatura en el tiempo de conversin.

Otra temperatura es 150+ 2*5 = 160C:

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To= 298,15K,T1=160K,Ea= 420kJ/mol*K,R=0,008314kJ/mol*K,

A=10-7

s-1

Temperatura y presin normales,

P= 1 atm=101325PaT=273,15 K, con una pureza del 100%.

En estas condiciones tenemos:

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Proceso de Haber-Bosh: incluyendo termodinmica

Hasta el momento se ha asumido que la reaccin es irreversible, pero en realidad lareaccin es reversible; parte del NH 3 se reconvierte en N 2 y H 2 con cierta velocidad de

reaccin que va variando hasta que se alcanza un equilibrio, en el que la concentracin promedio de NH3, N2 y H2 no cambia. En este equilibrio, se puede definir una constantede equilibrio que determina hasta dnde puede llegar la reaccin.

4) Escoja por lo menos dos condiciones de presin y temperatura y observen elrendimiento que le da la reaccin cuando llega al equilibrio segn el siguientesimulador:

RENDIMIENTOS DE LA REACCION

N Temperatura (C) Presin (atm) %

1 500 300 9

2 500 500 11

3 350 700 30

4 150 1.000 56

Tabla 2. Principio de Lechatelier.

Lo que se concluye de los datos que presenta la tabla de rendimientos obtenidosexperimentalmente, por medio del aplicativo (El principio de Le Chtelier), es quesi se aumenta la temperatura en un sistema que en principio est en equilibrio, esesistema se reorganizar de manera que se absorba el exceso de calor; y, en larepresentacin de estequiometria, tambin se dice que la reaccin se desplazar enun sentido o en el otro.

Asimismo, si se eleva la presin de un sistema de gases en equilibrio, la reaccin sedesplaza en la direccin en la que desaparezcan moles de gas, a fin de minimizar laelevacin de presin. Por el contrario, si disminuye la presin, la reaccin sedesplazar en el sentido en que aumenten las moles totales de gas, lo que ayudar aque la presin no se reduzca. Es importante hacer notar que, a bajas temperaturas, lareaccin requiere ms tiempo, ya que esas bajas temperaturas reducen la movilidadde las partculas involucradas.

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5) Por qu es necesario reciclar la salida del reactor, en vez de cambiar las condiciones deP y T para aumentar el rendimiento?

Porque la reaccin es reversible ya que parte del amoniaco vuelve a convertirse enhidrogeno y nitrgeno de nuevo, esto se da a medida que se enfra el amoniaco, lo quehace que se convierta en lquido y se elimina del reactor de reaccin, aunque secambien las condiciones de temperatura moderada y presin alta, el hidrogeno y elnitrgeno se reciclan pasando al reactor de reaccin.

Manufactura del cido ntrico

El cido ntrico es uno de los cidos inorgnicos ms importantes, se utiliza para producirfertilizantes. El proceso ms conocido para producirlo es el proceso de Oswald. [3]

(1) 4NH 3(g) + 5O 2(g) 4NO (g) + H2O (g) a 800C(2) 2NO (g) + O 2(g) 2NO 2(g) sin catalizador(3) 2NO 2(g) + H 2O (l) HNO 2(ac) + HNO 3(ac) (4) 3HNO 2(ac) HNO 3(ac) + H 2O (l) + H 2O (l) + 2NO (g)

El NO generado se recircula para producir ms NO2 en el segundo paso.La primera reaccin es determinante y requiere de utilizar un catalizador

6) Presenten las expresiones de las constantes de equilibrio para las reacciones del procesode Oswald.

1)

2)

3)

4)

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7) Cul sera la relacin entre la constante de reaccin entre4NH 3(g) + 5O 2(g) 4NO (g) + H 2O (g) y NH 3(g) + 5/4 O 2(g) NO (g) + H 2O (g)

a)

b)

8) Si hacer ningn clculo, indiquen si la entropa de la reaccin S R es positiva onegativa para las 4 reacciones

REACCIN

4NH 3 (g) + 5O 2 (g) 4NO (g) + 6H 2O (g) Positiva

2NO (g) + O 2 (g) 2NO 2 (g) Negativa

2NO 2 (g) + H 2O (l) HNO 2 (ac) + HNO 3 (ac) Positiva

3HNO 2 (ac) HNO 3 (ac) + H 2O (l) + 2NO (g) Negativa

9) Calculen G R 0 de la reaccin (1) cul es la constante de equilibrio en trminos de presiones Kp? cul es la constante de equilibrio en trminos de concentraciones Kc?Tome una temperatura entre 820 y 950 K

Calculen de la reaccin 1 cual es la constante de equilibrio en termino de presiones Kp?, cual es la constante de equilibrio en trminos de concentraciones Kc?Tome una temperatura entre 820 y 950 k

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Constante de equilibrio en trminos de presiones kp

Constante de equilibrio en trminos de concentraciones K c

T= 820+5*10= 830 K.

10) Asuman que y se mantienen relativamente constantes con la temperatura.Calculen a la temperatura a la que ocurre la reaccin en el ciclo de Oswald (T:escoger), Cmo cambio la espontaneidad de la reaccin?

4NH 3(g) +5O 2(g) 4NO (g)+6H 2O

S 0=4S 0NO - 6S 0H2O 4S0NH3 5S

0O 2

S 0= 4(210,8) 6 (69,9) 4 (192,5) 5(205,0)= -1371,2kJ/ (mol K)

H0= 4(90,25) 6(-241,848) -4(-46,11) -5(0)= 1816,02 kJ/mol 2

G 0= H- T S

G 0=1816,02 kJ/mol 2-297K(-1371,2kJ/ (mol K)

G 0=1816,02 kJ/mol 2-407246,4 kJ/ (mol K)

G 0= -405430,38 kJ/mol K

G 0= -405430,38 kJ/mol K

ESTE VALOR INDICA QUE LA REACCION ES ESPONTANEA A 60 0C

Fertilizantes de fosfatos y de potasio

Los fertilizantes fosfatados se producen principalmente a partir de roca fosfrica; cuyo principal origen son los depsitos minerales acumulados en sedimentos marinos. La rocafosfrica pulverizada se hace reaccionar con cidos como el cido ntrico o el cidofosfrico para obtener sales de cido sulfrico; o se puede aplicar directamente a los suelos.

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Fosfato

Las principales reacciones de produccin de los fertilizantes fosfatados son:

(1) Superfosfato triple:Ca5(PO 4)3F(s) + 5H 2SO 4 (ac) + 10H 2O (l) 3H 3PO 4(s) + 5CaSO 4.2H 2O(s) + HF (g)

(2) superfosfato triple concentrado:Ca5(PO 4)3F(s) + 7H 3PO 4(ac) + 5H 2O (l) 5Ca (H 2PO 4)2.H2O(s) + HF (g)

(3) fosfato monoamnico:H3PO 4 (ac) + NH 3 (ac) NH 4H2PO 4 (s)

(4) fosfato diamnicoH3PO 4 (ac) + 2NH 3 (ac) (NH 4)2HPO 4 (s)

Las plantas asimilan el potasio que en presencia de agua queda en forma de fosfato HPO 42- o H 2PO 4-.

Potasio

El potasio utilizado en los fertilizantes se produce a partir de depsitos que provienen de laevaporacin de agua del mar, disponibles solo en algunos pases [3]. En Saskatchewan, lareserva mundial ms grande, se encuentran depsitos de silvita KCl. Sin embargo, lasformas ms comunes de comercializacin son carbonato de potasio y cloruro de potasio.El potasio puede agregarse al suelo como KCl, pero cuando los suelos estn saturados conCl - o se utilizara el potasio en cultivos sensible al cloro como las uvas, se convierte elK 2SO 4 a KCl por medio de los siguientes mtodos:

Proceso de Mannheim:

(5) 2KCl (s) + H 2SO 4 (ac) K 2SO 4(s) + 2HCl (ac)

Proceso Hargreaves(6) 4KCl (s) + 2SO 2 (g) + O 2 (g) + H 2O (g) 2K 2SO 4(s) + 4HCl (ac)

Mtodo con NaSO4:

(7) 3KCl (s) + 4Na 2SO 4 (ac) 4K 2SO 4 (s) + 8NaCl (ac)

Mtodo con HNO3(8) KOH (g) + HNO 3 (ac) KNO 3(s) + H 2O (l)

Para la agricultura, una de las formas ms populares de comercializacin de los fertilizanteses en mezclas que incluyan todos los compuestos que la planta necesita. Esto se realiza

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mezclando sales de estos compuestos en seco o en solucin, o tratando la roca fosfrica concido ntrico, el cual es un proceso ms econmico que la mezcla de sales. Estas mezclas sedenominan en el mercado NPK, NP, NK o PK, dependiendo de que contengan Nitrgeno,Fsforo o Potasio. Estas mezclas tienen una buena granulacin y la disponibilidad de los

nutrimentos para la planta es lata. (Stanfield, 1953 citado por [1]). Las etiquetas de estosfertilizantes varan segn la composicin, por ejemplo para un fertilizante NPK, la etiquetasera 17-15-6, indicando que tiene un 17% de nitrgeno, un 15% de xido de Fsforo(expresado como P 2O5) y un 6% e xido de potasio (K 2O), siendo el restante 62%materiales inertes u otras sales [1])

11) Tomen una de las reacciones presentadas para sintetizar fertilizantes:

La reaccin a escoger depender de su grupo: No. Grupo/8 (tomen el entero ms cercano)Presenten la expresin de la constante de equilibrio y calculen H R y G R a condicionesestndar y concluyan si la reaccin sera posible y si sera exotrmica o endotrmica acondiciones estndar.Para los datos de sustancias qumicas que necesita, como entalpas y entropas deformacin, consulte las fuentes referenciadas en el captulo 3, cmo(http://courses.chem.indiana.edu/c360/documents/thermodynamicdata.pdf ), y el anexo altrabajo colaborativo en el enunciado del foro.

[( ) ( )][( ) ( )( )]
http://courses.chem.indiana.edu/c360/documents/thermodynamicdata.pdfhttp://courses.chem.indiana.edu/c360/documents/thermodynamicdata.pdfhttp://courses.chem.indiana.edu/c360/documents/thermodynamicdata.pdfhttp://courses.chem.indiana.edu/c360/documents/thermodynamicdata.pdf

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Bono (10 puntos):La produccin (aunque tambin el uso) de fertilizantes inorgnicosgenera diferentes desechos gaseosos, slidos y lquidos que tienen implicaciones

ambientales. Explique brevemente alguna de estas implicaciones relacionada con lasreacciones revisadas en esta gua.

Las principales complicaciones generadas por los fertilizantes son:

La contaminacin de las aguas subterrneas debido a la lixiviacin especialmente por nitrato; cuando se trata de fosfatos la lixiviacin es menos probable; pero aun asse observa tambin contaminacin por metales pesados que son absorbidos por loscultivos; uno de los principales productores de cobre es el estircol de ganado

porcino.

Otra complicacin es la acidificacin que es generada por el ganado y lugaresdonde almacenan el estircol donde las emisiones de amoniaco son bastante altas,afectando los lugares que viven de la ganadera.

En la fabricacin de cido sulfrico y ntrico pueden ocurrir fugas de amoniaco oexplosiones que ponen en peligro la salud de las personas a tal punto que puedenocasionar la muerte.

Bibliografa

[1] Universidad Nacional Abierta y a Distancia (2011). Qumica Inorgnica. Mdulodidctico. Colombia: Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD

[2] Instituto de Geologa Econmica. CSIC. Facultad de Ciencias Geolgicas. UniversidadComplutense. 28040 Madrid.

[3] Standard Thermodynamic Properties of Chemical Substances

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