Ampliación: procesos industriales: amoníaco, ácido sulfúrico y acero

Explicación

Errores frecuentes

• ErrorPensar que el hierro se obtiene «fundiendo» el mineral.

  Cómo corregirloEl mineral es un compuesto (óxido de hierro): hace falta una reacción química, con el CO, para separar el hierro del oxígeno.

• ErrorCreer que en la industria todos los reactivos se transforman en productos de una vez.

  Cómo corregirloEn el proceso de Haber solo reacciona una parte; los gases sobrantes se reciclan una y otra vez.

Ejemplos resueltos

1. Ejemplo 1. Del aire y el gas natural al amoníaco esquema de un proceso

   Ordena las etapas de la fabricación del amoníaco y escribe la ecuación de las dos reacciones: separar el amoníaco enfriándolo; obtener hidrógeno del gas natural; mezclar nitrógeno e hidrógeno y comprimirlos; obtener nitrógeno del aire; reciclar los gases que no han reaccionado; hacerlos pasar por el reactor con hierro a unos 450 °C.

   Resolución

   1. Obtener nitrógeno del aire.
   2. Obtener hidrógeno del gas natural: $\text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + 3\,\text{H}_2$
   3. Mezclar nitrógeno e hidrógeno (en proporción 1 : 3) y comprimirlos.
   4. Hacerlos pasar por el reactor con el catalizador de hierro: $\text{N}_2 + 3\,\text{H}_2 \rightarrow 2\,\text{NH}_3$
   5. Enfriar para licuar y separar el amoníaco.
   6. Reciclar al reactor los gases que no han reaccionado.

2. Ejemplo 2. ¿Cuánto hierro da una tonelada de mineral? numérico (cálculo masa-masa)

   En un alto horno se procesa 1 t de hematites (supón que es $\text{Fe}_2\text{O}_3$ puro). a) ¿Qué masa de hierro se obtiene? b) ¿Qué masa de monóxido de carbono hace falta? Datos: C = 12 u; O = 16 u; Fe = 56 u.

   Resolución

   Ecuación: $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\,\text{CO} \rightarrow 2\,\text{Fe} + 3\,\text{CO}_2$. Masas: $M(\text{Fe}_2\text{O}_3) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 160$ u; $M(\text{CO}) = 28$ u. a) 160 t de óxido dan $2 \cdot 56 = 112$ t de hierro: $$m(\text{Fe}) = 1\ \text{t} \cdot \frac{112}{160} = 0{,}7\ \text{t} = 700\ \text{kg}$$ b) 160 t de óxido necesitan $3 \cdot 28 = 84$ t de CO: $$m(\text{CO}) = 1\ \text{t} \cdot \frac{84}{160} = 0{,}525\ \text{t} = 525\ \text{kg}$$

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. 1. Fácil

   Relaciona cada proceso con su producto, su catalizador (si lo tiene) y un uso del producto: 1. Haber-Bosch. 2. Contacto. 3. Alto horno.

   Ver solución

   1: amoníaco, hierro, abonos. 2: ácido sulfúrico, V₂O₅, abonos/baterías. 3: hierro (acero), sin catalizador, construcción/coches.

   1. Haber-Bosch: amoníaco; catalizador de hierro; abonos nitrogenados (también productos de limpieza).
   2. Contacto: ácido sulfúrico; catalizador de óxido de vanadio(V); abonos, baterías, detergentes.
   3. Alto horno: hierro (arrabio, del que se obtiene el acero); no usa catalizador; construcción, coches, herramientas.

2. 2. Media

   ¿Qué masa de amoníaco se puede obtener, como máximo, a partir de 56 t de nitrógeno? ¿Qué masa de hidrógeno hace falta? Datos: H = 1 u; N = 14 u.

   Ver solución

   68 t de NH₃; 12 t de H₂.

   $\text{N}_2 + 3\,\text{H}_2 \rightarrow 2\,\text{NH}_3$. $M(\text{N}_2) = 28$ u; $M(\text{H}_2) = 2$ u; $M(\text{NH}_3) = 17$ u. Es decir, 28 t de $\text{N}_2$ + 6 t de $\text{H}_2$ $\rightarrow$ 34 t de $\text{NH}_3$. $$m(\text{NH}_3) = 56 \cdot \frac{34}{28} = 68\ \text{t} \qquad m(\text{H}_2) = 56 \cdot \frac{6}{28} = 12\ \text{t}$$ Comprobación: $56 + 12 = 68$ t. ✔

3. 3. Media

   En el alto horno: a) ¿Por qué se dice que el CO «reduce» el óxido de hierro? b) ¿Para qué sirve la caliza? c) ¿Qué diferencia hay entre el arrabio y el acero?

   Ver solución

   a) Le quita el oxígeno. b) Para formar la escoria con la arena del mineral. c) El acero tiene menos carbono (menos de un 2 %).

   a) Porque le quita el oxígeno al $\text{Fe}_2\text{O}_3$ y deja el hierro libre; el CO se convierte en $\text{CO}_2$: $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\,\text{CO} \rightarrow 2\,\text{Fe} + 3\,\text{CO}_2$. b) La caliza se descompone en $\text{CaO}$, que se une a la arena ($\text{SiO}_2$) y otras impurezas del mineral y forma la escoria, que flota y se separa del hierro. c) El arrabio tiene alrededor de un 4 % de carbono y es frágil; el acero tiene menos de un 2 % y es resistente y se puede trabajar.

Para practicar más

1. 1. Fácil

   Escribe las tres reacciones del proceso de contacto y señala en cuál interviene el catalizador. ¿Por qué hace falta un catalizador?

   Ver solución

   S + O₂ → SO₂; 2 SO₂ + O₂ → 2 SO₃ (catalizador V₂O₅); SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Sin catalizador la segunda sería demasiado lenta.

   1. $\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2$
   2. $2\,\text{SO}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{V}_2\text{O}_5} 2\,\text{SO}_3$ $\leftarrow$ aquí actúa el catalizador.
   3. $\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$ Sin catalizador, la segunda reacción sería demasiado lenta para que la fabricación fuera rentable.

2. 2. Media

   Una fábrica usa 64 t de azufre al día. ¿Qué masa de ácido sulfúrico puede fabricar como máximo? (Fíjate en que cada átomo de azufre acaba en una molécula de $\text{H}_2\text{SO}_4$.) Datos: H = 1 u; O = 16 u; S = 32 u.

   Ver solución

   196 t de H₂SO₄.

   Por cada átomo de S se forma una molécula de $\text{H}_2\text{SO}_4$: 32 t de S dan 98 t de ácido ($M(\text{H}_2\text{SO}_4) = 2 + 32 + 64 = 98$ u). $$m(\text{H}_2\text{SO}_4) = 64 \cdot \frac{98}{32} = 196\ \text{t}$$

3. 3. Difícil

   a) En el alto horno, ¿qué masa de $\text{CO}_2$ se forma en la reacción $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\,\text{CO} \rightarrow 2\,\text{Fe} + 3\,\text{CO}_2$ por cada tonelada de hierro obtenida? b) Hoy se investiga el «acero verde», que usa hidrógeno en lugar de CO: $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\,\text{H}_2 \rightarrow 2\,\text{Fe} + 3\,\text{H}_2\text{O}$. ¿Qué ventaja ambiental tiene? Datos: C = 12 u; O = 16 u; Fe = 56 u.

   Ver solución

   a) Unas 1,18 t de CO₂. b) Se forma agua en lugar de CO₂.

   a) Por cada $2 \cdot 56 = 112$ t de hierro se forman $3 \cdot 44 = 132$ t de $\text{CO}_2$: $$m(\text{CO}_2) = 1\ \text{t} \cdot \frac{132}{112} \approx 1{,}18\ \text{t}$$ (Además se emite más $\text{CO}_2$ al quemar el coque para calentar el horno.) b) Con hidrógeno, el producto es agua en lugar de $\text{CO}_2$: no se emite este gas de efecto invernadero en esa reacción (siempre que el hidrógeno se obtenga sin emitir $\text{CO}_2$, por ejemplo con energía renovable).