Chimie générale et chimie physique : applications. Mars 2002. Georges Heyen.
Equilibres chimiques : synthèse NH3. Page 1. G. Heyen, Mars 2002. Chimie ...
Mars 2002
Chimie générale et chimie
: applications
physique
Objectifs Application des calculs d’équilibre chimique
Collaboration avec les enseignants de technique n Illustrer l’importance des concepts théoriques pour les applications ultérieures n Donner un avant goût des cours de technique n
Conception d’un procédé de synthèse d’ammoniac
Chimie générale : application
G. Heyen, Mars 2002
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Essayons de comprendre ce qui se passe là dedans
Chimie générale : application
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Pourquoi NH3 ? Les composés azotés sont nécessaires à la vie n La plupart des êtres vivants ne peuvent assimiler directement N2 n
– Il faut de l’Azote l’ Azote fixé – Engrais = nitrates, ammonium, urée
Les rendements agricoles dépendent fortement de l’utilisation d’engrais azotés n Autres applications n
– Explosifs – Acide nitrique et dérivés : réactifs chimiques
Atelier de synthèse NH 3 G. Heyen, Mars 2002
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Evolution de la consommation de NH3
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Un peu d’histoire n
Au 19e siècle – Croissance de la population urbaine – Augmentation des rendements agricoles – Recherche de dérivés azotés – Dépôts naturel au Chili
n
Début du 20e siècle – Procédé NO x par arc électrique – Les progrès de la thermodynamique indiquent que la synthèse directe doit être possible – Synthèse NH3 (Fritz Haber) – Une des premières synthèses de gros tonnage
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Georges Heyen Equilibres chimiques : synthèse NH3
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: applications
physique
N2 + 3 H2 à 2 NH 3 ? n n n
N2 + 3 H2 à 2 NH 3 ?
Première question :
n
– La réaction est-elle spontanée ?
n
Quelles sont les conditions favorables ? Comment obtenir les réactifs ? – Source d’azote ? n Air
– Réaction endo endo-- ou exothermique ?
Il faut calculer ∆rG° de la réaction n Il faut calculer Kp n Comment évolue la réaction (Le Chatelier) n
: 78% : comment le purifier
– Source d’hydrogène ?
– En fonction de T – En fonction de P – En présence d’inertes Cherchons d’abord les données
n Eau
– comment éliminer l’oxygène ? n Hydrocarbures
C xHy
– Comment éliminer le carbone ? G. Heyen, Mars 2002
Que dit la thermodynamique chimique ? Il faut calculer ∆rH° de la réaction
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Propriétés des corps purs (gaz parfait) N2 H2 NH3 CH4 Ar H2O CO CO2 O2
Pmol 28.013 2.016 17.031 16.043 39.948 18.015 28.010 44.010 31.999
? Hf J/mol
? Gf J/mol
? Sf J/mol/K
0 0 0 0 0 0 -45849 -16327.4 -99.0159 -74835 -50785.3 -80.6631 0 0 0 -241778 -228550 -44.3669 -110506 -137246 89.6864 -393448 -394318 2.917994 0 0 0
Cp A J/mol/K 26.9323 28.5107 27.2918 19.2348 20.7805 29.1866 26.5753 25.3349 26.2582
Cp B J/mol/K2 0.006845 0.000177 0.023811 0.052082 0 0.012467 0.007956 0.048695 0.012187
Cp C J/mol/K3 -1.1E-06 2.18E-06 1.71E-05 1.2E-05 0 0 -1.5E-06 -2.3E-05 -4.4E-06
Cp D J/mol/K4 0 -4.3E-10 -1.2E-08 -1.1E-08 0 -4.5E-10 0 3.75E-09 6.02E-10
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Coefficients stoechiométriques ξi – Positif pour produit – Négatif pour réactif
∆ rHo =
3
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Grandeurs de réaction n
C p = A + BT + CT + D T B C D H = H0 + A(T − T0 ) + ( T 2 − T 20 ) + ( T 3 − T 30 ) + ( T 4 − T04 ) 2 3 4 T C D S = S0 + Aln + B(T − T 0 ) + ( T 2 − T 20 ) + ( T 3 − T 03 ) 2 3 T0
Chimie générale : application
∑ξH
o i
∑ξG
o i
i
i
∆ rGo =
i
i
− ∆ rG o K p = exp RT Condition d’équilibre :
K p = ∏ (P j / P ° )
ξj
j
G = H − T.S G. Heyen, Mars 2002
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Etude de l’équilibre N 2 + 3 H2 à 2 NH3 On utilise un programme pour pouvoir répéter les calculs n Le tableur Excel est utilisé ici n La feuille Excel sera disponible sur http://cheng00. http ://cheng00.chim chim..ulg ulg..ac ac..be be//users users//gheyen ainsi que la copie de ces transparents n
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A 25°C
Synthèse NH3
∆Hr -91698
∆Gr -32655
Kp 5,213E+05
Réaction exothermique Réaction spontanée n K p grand : réaction presque complète à l’équilibre n n
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: applications
Etude de l’équilibre N 2 + 3 H2 à 2 NH3 Kp synthèse NH3
autres T 1,00E+06 1,00E+04
Kp
1,00E+02 1,00E+00 1,00E-02
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1,00E-04 1,00E-06
Etude de l’équilibre N 2 + 3 H2 à 2 NH3 autres T : Kp diminue rapidement avec T Il devient
