Ammoniaca (1a parte)

L’ammoniaca (1^a parte).

L’ammoniaca è un composto dell’azoto di formula chimica NH₃. Si presenta come un gas incolore, dall’odore caratteristico. Sciolta in acqua, rende la soluzione nettamente basica. A temperatura ambiente ha un odore pungente molto forte e soffocante, è irritante e tossica. In presenza di ossigeno (all’aria) può intaccare l’alluminio, il rame, il nichel e le loro leghe.

A causa dei suoi molti usi, l’ammoniaca è uno dei composti chimici inorganici più prodotti. Ci sono molti impianti per la produzione di ammoniaca nel mondo. Nel 2004 la produzione mondiale di ammoniaca era di 109.000.000 tonnellate.

Più dell’80% dell’ammoniaca prodotta viene utilizzata per la produzione di fertilizzanti, la parte rimanente trova impiego nella produzione di plastiche, fibre, esplosivi, farmaci …

Fino a circa 100 anni fa, l’ammoniaca veniva ottenuta o per distillazione del carbone, o per riduzione di acido nitrico e nitriti con idrogeno puro, o per decomposizione dei suoi sali (in genere sale d’ammonio, NH₄Cl) per mezzo di idrossidi alcalini o ossido di calcio (CaO).

Oggi l’ammoniaca viene sintetizzata secondo la reazione diretta in fase gassosa:

3 H₂ + N₂ → 2 NH₃

sfruttata dal processo Haber-Bosch e svolta in presenza di catalizzatori, a pressione di 20 MPa e temperatura di 400-500 °C. La reazione è esotermica.

Invece l’idrogeno necessario si ricava dal syngas[1] o per separazione dai gas di cokeria; l’azoto viene prodotto per frazionamento dell’aria con il processo Linde o con il processo Claude. Nel caso di syngas prodotti con reazione di reforming con vapore, l’N₂ è già presente nella miscela perché il reforming secondario viene fatto con aria e non con O₂ puro.

Altri metodi utilizzati per fabbricare l’ammoniaca sono quelli di Fauser, Casale, Claude, NEC, Mont-Cenis, ecc, che differiscono per la pressione a cui si fa avvenire la reazione e quindi nell’apparecchio di sintesi.

Si potrebbe osservare però che l’atmosfera è ricca di azoto: perché non lo usiamo nella fabbricazione dell’ammoniaca? Ma grazie al cielo l’atmosfera non è reattiva e l’azoto, in generale, non si combina con altri elementi. La strategia di base per la fabbricazione di ammoniaca, NH₃ , è, pertanto, quella di combinare idrogeno gassoso, H₂, con gas di azoto, N₂, ad una temperatura elevata e ad alta pressione. Chimicamente, questa è una reazione difficile, quindi, come detto, richiede un agente esterno per accelerare il processo. Un catalizzatore è un composto che permette a una reazione di procedere più rapidamente. Nella sintesi dell’ammoniaca, il catalizzatore utilizzato è generalmente di ferro. Ci sono altre sostanze chimiche che possono essere utilizzati come catalizzatori, ma il ferro è il più comune (magnetite: FeO · Fe₂O₃). La fonte del gas di idrogeno è di solito il gas naturale, conosciuto anche come il metano, CH ₄.

Tuttavia, nel processo di base della sintesi dell’ammoniaca se ne svolgono anche altri. Per esempio i composti di zolfo vengono prima rimossi dal gas naturale mediante reazione con ossido di zinco, che si trasforma in solfuro di zinco. Così viene liberato il metano, che passa attraverso varie trasformazioni prima di generare idrogeno gassoso. La temperatura utilizzata è di circa 1482 °F (400°C). La pressione utilizzata è inferiore a quella ottimale per la reazione. Infatti, per motivi di sicurezza, viene utilizzata la pressione di circa 200 atmosfere (Atm). La resa è di circa il 10-20% in queste condizioni. Come la miscela esce dal reattore, si raffredda, in modo che l’ammoniaca diventa liquida. Il calore viene catturato e riutilizzato per riscaldare il gas in entrata. Questo metodo di sintesi di ammoniaca è noto, vedi sopra, come il processo di Haber, perché è stato creato dal chimico tedesco Fritz Haber, che ha studiato le condizioni perché avvenga la reazione chimica. L’idea fu sollecitata dal fatto che vi era una carenza di fertilizzanti contenenti azoto nei primi anni del 1900, e nello stesso tempo la Germania aveva bisogno di esplosivi per la prima guerra mondiale. Attualmente, come già detto, l’ammoniaca è prodotta su larga scala in tutto il mondo.

Un modo alternativo per fare l’idrogeno per la suddetta reazione è attraverso il processo elettrolitico dell’acqua. Elettrolisi utilizza energia elettrica per abbattere i composti. In questo caso, l’acqua è scissa in idrogeno e ossigeno. Questa soluzione però ha bisogno della produzione di elettricità da centrali elettriche.

Possiamo comunque ricordare che già nel 1911, l’elettrolisi dell’acqua è stata utilizzata per fornire l’idrogeno per la sintesi di ammoniaca.

L’ammoniaca si può conservare e trasportare in due forme: o come liquido puro anidro, in serbatoi criogenici a pressione che la tengono al di sotto della sua temperatura di ebollizione (-33°C), oppure in soluzione acquosa (35 % ammoniaca/65 % acqua, in peso), in comuni contenitori a temperatura ambiente.

Volendo, anche in laboratorio si possono preparare piccoli quantitativi di ammoniaca per mezzo della reazione del cloruro di ammonio con l’idrossido di sodio:

NH₄Cl + NaOH → NaCl + NH₃ ­ + H₂O

Ultima nota domestica: L’ammoniaca, diluita in acqua in percentuali inferiori al 10%, costituisce un rimedio contro le orticarie causate da punture di insetto, tocco di medusa o contatto con piante urticanti come l’ortica; ma un recente studio condotto in USA dimostra però, dopo una rigorosa verifica sperimentale, che il ruolo terapeutico dell’uso dell’ammoniaca sulle infiammazioni provocate dalle nematocisti delle meduse (Chrysaora quinquecirrha, Chiropsalmus quadrumanus e Physalia physalis) è scarso.

Infine dobbiamo aggiugere che la produzione dell’ammoniaca veniva considerata, specialmente in passato come un indice fondamentale dell’evoluzione dell’industria chimica di un paese e in particolare in Italia assunse uno sviluppo non indifferente.

Nella storia dell’industria italiana i brevetti Fauser furono una pagina importante e portarono al sorgere a Novara di un polo industriale, poi confluito in Montecatini. Il successivo sviluppo fu legato a quello dell’industria dei fertilizzanti e del polo di Ferrara, Terni e di Porto Marghera. Nel frattempo si erano sviluppati impianti anche a San Giuseppe di Cairo (SV) e a Priolo (SR) nonché il grande polo di Ravenna per meglio utilizzare il metano. Tuttavia la successiva crisi dell’Enichem Agricoltura in cui erano confluiti gli impianti, portò ad un drastico ridimensionamento della produzione, concentrata solo a Ferrara e a Terni e alla cessione (1996) alla norvegese Norsk Hydro oggi Yara (2004). A seguito della cessazione della produzione di ammoniaca a Terni da parte di Yara avvenuta nel 2008, l’impianto di Ferrara è attualmente il solo in Italia a produrre ammoniaca, con una capacità massima di circa 600 mila tonnellate all’anno.

[1] Il termine syngas (o gas di sintesi) nasce dall’unione delle due parole synthetis gas e indica non un gas vero e proprio, bensì una miscela di gas, essenzialmente monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H₂), con la presenza in quantità variabile anche di metano (CH₄) e anidride carbonica (CO₂).