No processo de Haber: N2 + 3 H2 ? 2 NH3. Num reator de 10,0 L inicialmente com 1,00 mol de N2 e 3,00 mol de H2…

Questão

No processo de Haber: N2 + 3 H2 ? 2 NH3. Num reator de 10,0 L inicialmente com 1,00 mol de N2 e 3,00 mol de H2 a uma temperatura onde Kc = 0,040, determine: a) as quantidades de equilíbrio (mol) de N2, H2 e NH3 (use a aproximação x pequeno); b) explique o efeito de aumentar a temperatura e de remover continuamente NH3; c) relacione implicações energéticas para produção sustentável.

✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.

Resposta esperada

a) Concentrações iniciais: [N2]=1,00/10,0=0,100 M; [H2]=3,00/10,0=0,300 M; [NH3]=0. Em equilíbrio, seja x o consumo molar de N2 em concentração (M): [N2]=0,100-x; [H2]=0,300-3x; [NH3]=2x. Kc = [NH3]^2/([N2][H2]^3)=0,040. Aproximação x pequeno: (2x)^2 ˜ Kc·(0,100)·(0,300)^3 = 0,040·0,0027 = 0,000108 ? 4x^2=0,000108 ? x^2=0,000027 ? x˜0,00520 M. Moles em 10,0 L: x·V=0,00520·10,0=0,05196 mol consumidos de N2; NH3 = 2x·V ˜0,1039 mol. Quantidades finais (mol): N2 ˜1,00-0,052=0,948 mol; H2 ˜3,00-0,156=2,844 mol; NH3 ˜0,104 mol. b) A síntese de NH3 é exotérmica; aumento de temperatura desloca o equilíbrio para a esquerda, reduzindo o rendimento de NH3. Remover NH3 desloca o equilíbrio para a direita, aumentando conversão. c) Implicações: operar a temperaturas mais baixas favorece rendimento, mas reduz taxa; temperaturas altas aumentam taxa mas exigem mais energia (maior impacto ambiental). Estratégias sustentáveis incluem remoção contínua de NH3, uso de catalisadores para diminuir energia requerida e otimização de pressão para melhorar conversão com menor consumo energético.

Explicação

1) Montar ICE e expressão Kc. 2) Usar aproximação (0,100-x)˜0,100 e (0,300-3x)˜0,300; resolver 4x^2=Kc·0,100·0,300^3. 3) Calcular x, converter para mols (multiplicar por V). 4) Aplicar Le Châtelier: temperatura??NH3?; remoção NH3?desloca pra direita. 5) Discutir energia, taxa e uso de catalisadores.

Raio-X da questão

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