Ammonia dan proses Haber

Halaman ini meliputi satu standard kandungan Tingkatan 4 daripada bab Bahan Buatan dalam Industri: ammonia dan proses Haber. Ammonia, NH₃, ialah bahan permulaan untuk baja bernitrogen, jadi proses yang menghasilkannya memberi makan kepada sebahagian besar dunia. Peperiksaan bertanya kegunaan ammonia, bahan mentah, persamaan dan keadaan proses Haber, serta sebab keadaan itu dipilih. Topik ini menyerupai proses Sentuh, jadi mempelajari kedua-duanya bersama menjimatkan masa.

Kegunaan ammonia

Ammonia digunakan terutamanya untuk menghasilkan baja bernitrogen seperti ammonium sulfat, (NH₄)₂SO₄, ammonium nitrat, NH₄NO₃, dan urea, CO(NH₂)₂, yang membekalkan nitrogen kepada tanaman. Ia juga digunakan untuk membuat asid nitrik, HNO₃, menghasilkan gentian sintetik seperti nilon, dan dalam agen pencuci rumah. Kerana permintaan baja sangat besar, ammonia dihasilkan pada skala industri yang sangat besar.

Bahan mentah

Dua bahan mentah ialah nitrogen dan hidrogen. Nitrogen diperoleh daripada penyulingan berperingkat udara cair, yang kira-kira empat perlima nitrogen. Hidrogen diperoleh terutamanya daripada gas asli (metana) yang bertindak balas dengan stim. Kedua-dua gas ditulenkan dan dicampur pada nisbah yang betul sebelum memasuki reaktor. Perhatikan bahawa kedua-dua bahan mentah ini murah dan mudah diperoleh, udara ada di sekeliling kita dan gas asli banyak, dan inilah salah satu sebab proses Haber begitu penting dari segi ekonomi.

Tindak balas dan keadaan proses Haber

Dalam proses Haber, nitrogen dan hidrogen bergabung pada nisbah 1 : 3 mengikut isipadu untuk membentuk ammonia. Tindak balas ini berbalik:

N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

Keadaan yang digunakan ialah:

• mangkin ferum, yang melajukan tindak balas (ia tidak digunakan);
• suhu kira-kira 450–500 °C;
• tekanan tinggi kira-kira 200 atmosfera.

Campuran yang meninggalkan reaktor mengandungi ammonia bersama nitrogen dan hidrogen yang tidak bertindak balas. Ammonia disejukkan dan dicairkan lalu disingkirkan, manakala gas yang tidak bertindak balas dikitar semula kembali ke dalam reaktor supaya sedikit sahaja bahan mentah dibazirkan.

Mengapa keadaan itu satu kompromi

Kerana tindak balas ke hadapan bersifat eksotermik dan mengurangkan bilangan molekul gas, hasil teori ammonia adalah paling tinggi pada suhu rendah dan tekanan tinggi. Tetapi suhu rendah menjadikan tindak balas terlalu perlahan. Suhu terpilih kira-kira 450–500 °C oleh itu ialah kompromi yang memberi hasil yang boleh diterima pada kadar yang munasabah, dibantu oleh mangkin ferum. Tekanan tinggi memihak kepada hasil, tetapi tekanan yang sangat tinggi mahal dan berbahaya, jadi kira-kira 200 atmosfera dipilih sebagai imbangan praktikal antara hasil dan kos.

Contoh penyelesaian

Soalan. Dalam proses Haber, nitrogen bertindak balas dengan hidrogen mengikut N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Jika 30 dm³ nitrogen bertindak balas dengan lengkap dengan hidrogen, hitung (a) isipadu hidrogen yang bertindak balas dan (b) isipadu ammonia yang dihasilkan. (Semua isipadu diukur pada suhu dan tekanan yang sama.)

Langkah 1, Baca nisbah daripada persamaan. Nisbah isipadu gas sama dengan nisbah mol, jadi N₂ : H₂ : NH₃ = 1 : 3 : 2.

Langkah 2, Cari isipadu hidrogen. Bagi setiap 1 isipadu nitrogen, 3 isipadu hidrogen bertindak balas. Isipadu H₂ = 3 × 30 dm³ = 90 dm³.

Langkah 3, Cari isipadu ammonia. Bagi setiap 1 isipadu nitrogen, 2 isipadu ammonia terbentuk. Isipadu NH₃ = 2 × 30 dm³ = 60 dm³.

Jawapan. (a) Isipadu hidrogen yang bertindak balas ialah 90 dm³. (b) Isipadu ammonia yang dihasilkan ialah 60 dm³.

Soalan latihan

Soalan. (a) Tulis persamaan seimbang untuk proses Haber. (b) Nyatakan mangkin yang digunakan dan nisbah nitrogen kepada hidrogen mengikut isipadu. (c) Terangkan mengapa suhu kira-kira 450 °C digunakan dan bukannya suhu yang jauh lebih rendah, walaupun suhu lebih rendah akan memberi hasil lebih tinggi.

Jawapan. (a) N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. (b) Mangkinnya ialah ferum, dan nisbah nitrogen kepada hidrogen ialah 1 : 3 mengikut isipadu. (c) Suhu yang jauh lebih rendah akan memberi hasil ammonia lebih tinggi tetapi tindak balas akan menjadi terlalu perlahan untuk berdaya ekonomi. Suhu kira-kira 450 °C ialah kompromi yang memberi hasil munasabah pada kadar yang boleh diterima; mangkin ferum lagi menambah kadar tanpa mengubah kedudukan keseimbangan.

Petua peperiksaan

Markah di sini berkumpul di sekitar tiga perkara: persamaan seimbang dengan tanda ⇌, nisbah 1 : 3 dan mangkin ferum, serta penaakulan kompromi. Jangan sekali-kali tulis persamaan dengan satu anak panah ke hadapan sahaja, ia berbalik. Apabila diminta menerangkan suhu, sentiasa nyatakan kedua-dua belah pertukaran: suhu lebih rendah bermakna hasil lebih tinggi tetapi kadar lebih perlahan, jadi suhu sederhana dipilih. Dan ingat mangkin mengubah hanya kadar, tidak pernah kedudukan keseimbangan atau hasil akhir, perangkap yang sangat lazim.

Membandingkan proses Haber dan Sentuh

Ia membantu menyusun kedua-dua proses bersebelahan, kerana ia diuji dengan cara yang sama. Kedua-duanya ialah tindak balas berbalik yang dijalankan pada suhu kompromi sederhana kira-kira 450–500 °C dengan mangkin. Proses Sentuh menggunakan mangkin vanadium(V) oksida pada kira-kira 1 atmosfera; proses Haber menggunakan mangkin ferum pada tekanan tinggi kira-kira 200 atmosfera, kerana tekanan mempunyai kesan yang jauh lebih besar pada hasil ammonia. Dalam kedua-duanya, gas yang tidak bertindak balas dikitar semula dan keadaan mengimbangi kadar, hasil dan kos. Jika anda boleh menerangkan imbangan itu untuk satu proses, anda boleh menerangkannya untuk yang satu lagi, dan soalan sering meminta anda melakukan tepat itu.

Kedudukan dalam bab

Ini standard kandungan 8.2 bab Bahan Buatan dalam Industri, dan ia terletak terus selepas asid sulfurik dan proses Sentuh. Kukuhkannya dengan nota ulang kaji bab dan latih soalan nisbah isipadu dan keadaan dalam contoh penyelesaian. Dalam kelas 1-ke-1 Kimia SPM dalam talian kami, diajar dalam bahasa Inggeris, dari RM50/jam, dengan percubaan satu jam berbayar, guru kami menjadikan hujah keadaan kompromi sebati, kerana penaakulan yang sama membawa markah merentasi 4541.

Ringkasan pantas

• Ammonia digunakan untuk baja, asid nitrik, nilon dan agen pencuci.
• Bahan mentah: nitrogen (daripada udara) dan hidrogen (daripada gas asli + stim).
• Persamaan: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, nisbah 1 : 3 mengikut isipadu.
• Keadaan: mangkin ferum, kira-kira 450–500 °C, kira-kira 200 atm.
• Keadaan ialah kompromi antara hasil, kadar dan kos; gas yang tidak bertindak balas dikitar semula.