Ammoniaca: qualche annotazione

In questo breve post, riassumo alcune informazioni intorno all'ammoniaca, oggetto di un paio di lezioni che ho tenuto in questi ultimi due giorni.

L'ammoniaca:

• è un composto binario di idrogeno e azoto, la cui formula è tradizionalmente indicata come NH3;
• a condizioni ambientali è un gas, dall'odore pungente, che con l'ossigeno forma miscele esplosive;
• si solubilizza in acqua in tutte le proporzioni, formando soluzioni alcaline che azzurrano la cartina tornasole; 
• reagisce con gli acidi per formare sali di ammonio: con l'acido solforico dà solfato di ammonio, con l'acido nitrico dà nitrato di ammonio e con l'acido cloridrico dà cloruro di ammonio.

Il video riassume in meno di un minuto come si ottenga l'idrogeno necessario alla sintesi, attraverso il reforming del metano, la conversione dell'ossido di carbonio (water gas shift reaction, WGSR) e la rimozione dell'anidride carbonica. 

La miscela idrogeno - azoto è inviata nel reattore e la reazione di sintesi avviene alla temperatura T = 450°C e alla pressione P = 300 bar. 

• L'elevata temperatura costituisce una soluzione di compromesso: da un lato aumenta la velocità di raggiungimento dell'equilibrio ma dall'altro favorisce la decomposizione dell'ammoniaca che si forma spostando l'equilibrio verso i reagenti.
• L'elevata pressione favorisce la formazione dell'ammoniaca, in quanto essa sposta l'equilibrio a vantaggio del minor numero di moli. Poiché per la stechiometria si hanno quattro moli tra i reagenti (tre di idrogeno molecolare e una di azoto molecolare) e due moli di prodotto (ammoniaca), l'elevata pressione sposta l'equilibrio a vantaggio di quest'ultimo.
• Il catalizzatore eterogeneo abbassa l'energia di attivazione: nei suoi esperimenti in laboratorio, Fritz Haber utilizzò osmio e uranio, che Alwin Mittasch e Carl Bosch sostituirono successivamente con il più economico ferro, adatto alla realizzazione della sintesi su scala industriale. 
• Recenti studi considerano il rutenio su zirconia, con vari promotori (a base di bario o di yttrio), quale via promettente per realizzare una sintesi industriale a condizioni più blande.
• In un articolo pubblicato su Nature nell'aprile 2019, Yuya Ashida e collaboratori dimostrano che la combinazione di diioduro di samario, SmI2, con alcoli o acqua consente la fissazione dell'azoto catalizzata da complessi di molibdeno in condizioni ambientali. Stando alle affermazioni di questi ricercatori, sembra sia possibile produrre fino a 4.350 equivalenti di ammoniaca (sulla base del catalizzatore al molibdeno), con una frequenza di turnover di circa 117 al minuto. La quantità di ammoniaca prodotta e la sua velocità di formazione sono rispettivamente di uno e due ordini di grandezza maggiori rispetto a quelle ottenute nei sistemi di reazione artificiali finora riportati, e la velocità di formazione si avvicina a quella osservata con gli enzimi nitrogenasi. L'elevata reattività è ottenuta tramite un processo di trasferimento elettronico accoppiato a protoni, reso possibile dall'indebolimento dei legami O–H di alcoli e acqua coordinati a SmI2. Sebbene la reazione attuale non sia adatta all'uso su scala industriale, questo lavoro rappresenta un'opportunità per ulteriori ricerche sulla fissazione catalitica dell'azoto.

Intanto, una sintesi in laboratorio (o in classe, a scopo didattico) è possibile per trattamento di un sale di ammonio con una base, come già citato in apertura.

Nell'industria, l'ammoniaca è ossidata in appositi bruciatori per ottenere ossidi di azoto, i quali assorbiti in acqua formano l'acido nitrico.

FONTI

• AA. VV., Storia della chimica. Dalla ceramica del neolitico all'età della plastica, Enimont, 1989
• M. Capponi, Uno sguardo sulla Catalisi, Momenti Aics Editore, 2017
• L. Cerruti, Bella e potente. La chimica del Novecento fra scienza e società, Editori Riuniti, 2003
• P. Corradini, G. Paiaro, Il primo libro di chimica, Giunti, 1969
• G. Fochi, La chimica fa bene, Giunti, 2012
• D. Maveri, La storia dell'azoto, Casa editrice Ipotesi, 1982
• https://www.nature.com/articles/s41586-019-1134-2
• https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.9b04929
• https://www.researchgate.net/publication/332631192_Molybdenum-catalysed_ammonia_production_with_samarium_diiodide_and_alcohols_or_water