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Synthèse de l’ammoniac par le procédé Haber-Bosch : N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

ChimieCinétique et équilibre16–17 ans

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Une enceinte de réaction contient des molécules de N₂ et de H₂ ; une fois lancée, elles se heurtent et se transforment peu à peu en NH₃ jusqu’à l’équilibre. Faites varier la pression, la température et le rapport molaire H₂ : N₂, et activez ou non le catalyseur au fer, pour voir le rendement à l’équilibre et le temps pour l’atteindre changer exactement comme le prévoit le principe de Le Chatelier. Un onglet Usine met en balance rendement, vitesse, énergie, coût de l’usine et CO₂ pour justifier les conditions de compromis, et un onglet Procédé de contact fait de même pour la fabrication de l’acide sulfurique.

Leçon : L’azote et la synthèse de l’ammoniac ; application du principe de Le Chatelier à l’équilibre N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

Ce qu’elle montre

Le procédé Haber–Bosch fabrique de l’ammoniac à partir de diazote et de dihydrogène par une réaction réversible et exothermique qui fait passer de quatre molécules de gaz à deux. Une pression élevée et une basse température favorisent l’ammoniac, mais à basse température l’équilibre est atteint beaucoup trop lentement, et chaque atmosphère en plus coûte de l’énergie et une usine plus solide. Le catalyseur au fer accélère les deux sens sans changer le rendement à l’équilibre, et le recyclage du gaz non transformé permet d’en convertir presque tout. Le procédé de contact affronte les mêmes compromis pour 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ sur V₂O₅, puis absorbe SO₃ dans l’acide sulfurique concentré pour former l’oléum.

Mode d’emploi

Sur Équilibre, appuyez sur Lancer et changez une commande à la fois pour comparer le rendement à l’équilibre et le temps pour l’atteindre. Sur Usine, réglez la Température et la Pression, activez Catalyseur au fer et Recycler le gaz non transformé, puis appuyez sur Enregistrer pour comparer rendement, production, énergie, CO₂ et coût par tonne. Sur Procédé de contact, faites de même avec Catalyseur V₂O₅, Double absorption et Absorber SO₃.

Paramètres modifiables

  • Pression 10–400 atm
  • Température 300–600 °C
  • Catalyseur (poudre de fer)
  • Rapport molaire H₂ : N₂ 1 : 1, 2 : 1, 3 : 1 (stœchiométrique), 4 : 1
  • Écran Équilibre, Usine, Procédé de contact
  • Température de l’usine 300–600 °C
  • Pression de l’usine 50–400 atm
  • Catalyseur au fer dans l’usine
  • Recycler le gaz non transformé
  • Température du procédé de contact 350–650 °C
  • Pression du procédé de contact 1–10 atm
  • Catalyseur V₂O₅
  • Double absorption
  • Absorber SO₃ dans H₂SO₄ à 98 %, dans l’eau

Questions à explorer

  1. Pourquoi ne produit-on pas l’ammoniac à basse température, alors que le rendement à l’équilibre y est plus élevé ?
  2. Quel rapport molaire H₂ : N₂ correspond aux coefficients de l’équation, et pourquoi ?
  3. Quel est l’effet du catalyseur au fer sur le rendement à l’équilibre et sur la durée pour l’atteindre ?
  4. Pourquoi une usine Haber recycle-t-elle le diazote et le dihydrogène qui n’ont pas réagi ?
  5. Pourquoi SO₃ est-il absorbé dans l’acide sulfurique concentré plutôt que dans l’eau ?

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