Trabalhode tecnologia de processos - completo

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE ZAMBEZE 
FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLGIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE PROCESSOS INDUSTRIAIS 
 
 
 
 
 
 
 
 
O Nitrogénio 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Beira, Março de 2022 
 
 
 
UNIVERSIDADE ZAMBEZE 
FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLGIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE PROCESSOS INDUSTRIAIS 
 
 
 
 
 
O Nitrogénio 
 
 
 
Estudante: Pedro, Santos Domingos 
Código de estudante:211032111008 
 
 
 
 
 
 
 
 
Beira, Março de 2022 
Docente: Msc. Américo Msopela 
Ano de frequência: 2o Ano - Laboral 
Cadeira: Tecnologia de Processos 
 
 
Índice 
Folha de rosto ............................................................................................................................. iv 
Critérios de avaliação ................................................................................................................................ v 
Resumo .................................................................................................................................................... vi 
1. Introdução ......................................................................................................................................... 7 
1.1. Objectivos gerais ........................................................................................................................... 8 
1.2. Objectivos específicos................................................................................................................... 8 
2. Nitrogénio como elemento químico .................................................................................................. 9 
2.1. Ocorrência do nitrogénio .............................................................................................................. 9 
2.2. Obtenção do nitrogénio ............................................................................................................... 10 
2.2.1. Proceso de obtenção do nitrogénio através do ar comprimido ................................................ 11 
2.3. Propriedades físicas .................................................................................................................... 12 
2.4. Propriedades químicas ................................................................................................................ 13 
2.5. Aplicações do nitrogénio ............................................................................................................ 13 
2.6. Conclusão .................................................................................................................................... 15 
2.7. Referências Bibliográficas .......................................................................................................... 16 
2.8. Anexo/Apêndice ......................................................................................................................... 17 
 
 
iv 
 
Categorias Indicadores Padrões 
Classificação 
Pontuação máxima 
Estrutura 
Aspectos 
organizacionais 
• Índice 0.5 
• Introdução 0.5 
• Discussão 0.5 
• Conclusão 0.5 
• Bibliografia 0.5 
Conteúdo 
Introdução 
• Contextualização (Indicação 
clara do problema) 
2.0 
• Descrição dos objectivos 1.0 
• Metodologia adequada ao 
objecto do trabalho 
2.0 
Análise e 
discussão 
• Articulação e domínio do 
discurso académico 
(expressão escrita cuidada, 
coerência / coesão textual) 
3.0 
• Revisão bibliográfica nacional 
e internacional relevante na 
área de estudo 
2.0 
• Exploração dos dados 2.5 
Conclusão • Contributos teóricos práticos 2.0 
Aspectos 
gerais 
Formatação 
• Paginação, tipo e tamanho de 
letra, paragrafo, espaçamento 
entre linhas 
1.0 
Referências 
Bibliográficas 
Normas APA 6ª 
edição em citações 
e bibliografia 
• Rigor e coerência das 
citações/referências 
bibliográficas 
2.0 
 
v 
 
Critérios de avaliação 
Folha para recomendações de melhoria: “A ser preenchida pelo tutor” 
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________ 
 
vi 
 
Resumo 
O nitrogénio, elemento de número atómico 7 e massa molar relativa 14,007 u.m.a, é o principal 
componente de nossa atmosfera (78,0%), porém encontra-se em quantidades menores na 
litosfera e na hidrosfera. A Figura “em anexo” resume alguns aspectos da química do nitrogénio, 
levando em consideração apenas as espécies de interesse natural, inclusive a glicina, o mais 
simples aminoácido, representando toda a classe. 
Na abcissa está representado o número de oxidação (nox) do nitrogénio e na ordenada, a energia 
livre de formação da espécie química, ΔfGθ, (à pressão padrão pθ = 0,1 MPa e temperatura T = 
298,15 K), em relação aos elementos em sua forma alotrópica mais estável. Nos pontos de valor 
nulo passam duas rectas tracejadas que se cruzaram no dinitrogénio, N2 (g), (nox = 0 e ΔfGθ = 0 
kJ/mol), dividindo o plano em quatro partes. No quadrante superior direito estão os óxidos de 
nitrogénio (Nx Oy), todos com nox > 0 e ΔfGθ > 0. 
O valor desta última grandeza indica que todos os óxidos são menos estáveis, 
termodinamicamente, que seus elementos formadores (N2 (g) e O2 (g)), nas condições indicadas. 
No quadrante direito inferior estão os aniões nitrato, NO3
 -
(aq) e nitrito, NO2
- 
(aq), ambos em 
solução aquosa diluída e apresentam ΔfGθ < 0, ou seja, são mais estáveis que seus elementos 
formadores. No quadrante inferior esquerdo estão as formas reduzidas do N, nox < 0, toda elas 
mais estáveis que os elementos formadores. Apesar de pouca estabilidade termodinâmica, os 
óxidos de nitrogénio são encontrados na atmosfera por razões cinéticas. Os aniões, em meio 
aquoso, são mais estáveis, porém são facilmente assimilados e metabolizados por seres vivos 
(bactérias ou plantas). Assim também as espéciesreduzidas, inclusive o NH3 (g) que facilmente se 
dissolvem na água. 
A espécie mais abundante é sem dúvida o N2(g), justamente pela sua inércia química. A molécula 
do dinitrogénio apresenta uma tripla ligação muito forte. Para sua cisão são necessários 945,4 
kJ/mol nas condições ambientes. Reacções do dinitrogénio vão requerer entalpias de activação 
desta ordem de grandeza, ou seja, valores de energia elevados para romper a tripla ligação, daí a 
dificuldade de se transformar esta espécie nas outras. Apesar de sua abundância na atmosfera, a 
inércia química do N2 (g) faz com que os nutrientes com esse elemento acabem sendo o gargalo 
mencionado.
 
7 
 
1. Introdução 
Nitrogénio, nome dado por Jean-AntoineClaude Chaptal em 1790, quando se percebeu que o 
nitrogénio era um constituinte do ácido nítrico e dos nitratos (do grego, génio, formador de, 
nitros, de nitratos). Lavoisier preferia chamá-lo de azoto (do grego azoti, não vida), uma vez que 
ele não entretinha a vida. Por volta do século VIII, o chinês Mao-Khoa já dizia que a atmosfera 
era composta por duas substâncias: Yan, ou ar completo [nitrogénio], e Yn, ou ar incompleto 
[oxigénio]. 
O ar ordinário poderia tornar-se mais perfeito usando metais, enxofre ou carvão para roubar parte 
do seu Yn; ao se queimarem no ar, combinam-se com Yn. Quase 1000 anos depois, a 
‘descoberta’ do nitrogénio foi anunciada na tese de doutorado de Daniel Rutherford, em 12 de 
Setembro de 1772, na Universidade de Edinburgo. Sobre Mao-Khoa pouco se sabe, mas sobre 
Rutherford sabe-se que era filho de um dos fundadores da Escola Médica de Edinburgo, Escócia, 
e que sua tese foi sugerida e orientada por um famoso químico da época, Joseph Black. Black 
notou que, ao queimar uma substância orgânica no ar, restava um certo volume de gás, mesmo 
depois de ser retirado todo o gás carbónico produzido na queima. Assim, Black sugeriu a 
Rutherford que ele estudasse a natureza daquele ar residual, que mais tarde Rutherford 
chamaria de ar nocivo, porque não servia para manter a vida. 
Rutherford notou que ao colocar um camundongo dentro de um recipiente com ar, quando o 
animal morria, o volume de ar havia se reduzido para 9/10 do volume inicial. Ao retirar o gás 
carbónico, ele percebeu uma redução adicional de 1/ 11 do volume desse ar residual. 
Curiosamente, Rutherford não percebeu que o nitrogénio era um constituinte do ar… Apesar de 
muitos considerarem Rutherford como o descobridor do nitrogénio, não podemos esquecer de 
Carl W. Scheele, Henry Cavendish, Joseph Priestley e vários outros. Ainda mais 
fundamentais talvez tenham sido também as observações do grande artista Leonardo da Vinci 
(1452- 1519), quase três séculos antes de Rutherford; da Vinci, por exemplo, já havia percebido 
que o ar não era uma substância pura e mostrou que ele era consumido na combustão, como na 
respiração, mostrando a natureza íntima desses dois processos: 
“Aonde uma chama não pode viver, nenhum animal que respira vive” 
 
 
8 
 
1.1. Objectivos gerais 
 
❖ Fazer o estudo do nitrogénio como elemento da tabela periodica. 
1.2. Objectivos específicos 
 
❖ Determinar as principais fonte de nitrogénio e suas respectivas sínteses; 
❖ Conhecer as propriedades fisicas - quimicas, sua ocorrência e suas aplicações na 
sociedade em geral. 
 
 
9 
 
2. Nitrogénio como elemento químico 
O azoto, nitrogénio é um elemento químico com símbolo N, número atómico 7 e de massa 
atómica 14,00674 u.m.a (7 protões e 7 neutrões, com adição da pequena massa dos 7 electrões), 
representado no grupo (ou família) 7 (antigo VO) da tabela periódica. Pertence à família dos 
pnicogénios. O nitrogénio foi descoberto pelo médico escocês Daniel Rutherford em 1772, 
como componente separável do ar. Em condições normais forma um gás diatómico (N2), incolor, 
inodoro, insípido e principalmente inerte, não participando da combustão e nem da respiração. 
Condensa a aproximadamente 77 K (-196 °C) e solidifica a aproximadamente 63 K (-210 °C). 
Que constitui 78,08% do volume do ar atmosférico. 
 
“Nitrogénio na tabela periódica dos 
elementos”
 
“nitrogénio liquefeito”
2.1. Ocorrência do nitrogénio 
Embora o nitrogénio dentro dos solos e da vegetação terrestre seja amplamente considerado 
proveniente da atmosfera, rochas resistidas contribui com 6% a 17% da provisão total de 
nitrogénio terrestre, ou 11 a 18 tera-gramas de nitrogénio anualmente. 
O nitrogénio é um elemento comum no Universo. Estima-se que seja o sétimo elemento mais 
abundante na Via Láctea e no Sistema Solar. É sintetizado pela fusão de carbono e hidrogénio 
nas super - novas. Devido à volatilidade do nitrogénio elementar e dos seus compostos mais 
usuais, o nitrogénio é muito menos comum nos planetas rochosos do sistema solar interior, para 
 
10 
 
além de ser, no geral, um elemento relativamente raro na Terra. Contudo, da mesma forma que 
na Terra, o nitrogénio e os compostos do nitrogénio possuem uma grande presença na atmosfera 
dos planetas e satélites que o têm. 
O nitrogénio no manto provavelmente existe desde a formação inicial do planeta. Muitos 
compostos de importância industrial, como amoníaco, o ácido nítrico, os nitratos orgânicos 
(propelentes e explosivos), bem como cianetos, contêm nitrogénio. A ligação extremamente forte 
de nitrogénio elementar domina a química do nitrogénio, tornando difícil tanto para os 
organismos como para a indústria transformar o N2 em compostos úteis, libertando grandes 
quantidades de energia quando estes compostos são queimados ou se degradam em gás 
nitrogénio. O amoníaco e os nitratos produzidos sinteticamente são importantes fertilizantes 
industriais. Os nitratos fertilizantes são contaminantes que desempenham um papel significativo 
na eutrofização dos sistemas aquáticos. 
2.2. Obtenção do nitrogénio 
O nitrogénio é o componente principal da atmosfera terrestre (78,1% em volume). É obtido, para 
usos industriais, pela destilação do ar líquido ou pelo enriquecimento através de filtros 
moleculares. O elemento está presente na composição de substâncias excretadas pelos animais, 
usualmente na forma de ureia e ácido úrico. Tem-se observado compostos que contém nitrogénio 
no espaço exterior. O isótopo 14N se cria nos processos de fusão nuclear das estrelas. 
 
 
11 
 
“O nitrogénio pode ser obtido em menor escala” 
 
❖ NH4NO2 −→ N2 + 2H2O 
 
❖ 2NaN3(s) −→ 3N2(g) + 2Na(l) (usada para inflar air-bags) 
Um dos meios de aquisição deste gás por parte da indústria é via fornecimento externo, através 
de contratos em que normalmente, o usuário é obrigado a pagar por um volume mínimo, 
independente do seu consumo. 
 
2.2.1. Proceso de obtenção do nitrogénio através do ar comprimido 
É possível gerar o gás nitrogênio em suas instalações a partir do ar comprimido obtido por um 
compressor de ar através de geradores. Usase, basicamente, a diferença de tamanho entre 
moléculas de Nitrogênio e Oxigênio para realizar a sua separação. Conforme é possível observar 
na figura abaixo, a molécula do Oxigênio é ligeiramente menor que a do Nitrogênio: 
 
 
Os geradores de nitrogênio utilizam o fenômeno da adsorção através do leito de um material 
adsorvente, o CMS (Carbon Molecular Sieve), que adsorve o Oxigênio do ar comprimido e o 
separa do Nitrogênio. O gerador é formado por duas colunas com material adsorvente (CMS) 
que funcionam através da seguinte maneira: 
❖ Enquanto o ar comprimido entra na primeira coluna e flui através do material adsorvente, 
o oxigênio começa a sofrer o processo de adsorção. 
❖ Nitrogênio começa a fluir na saída da coluna e é enviado a um reservatório; 
❖ Diretamente após a saturação da primeira coluna, a alimentação de ar comprimido é 
redirecionada para a segunda coluna, já regenerada, onde o mesmo processo do item 1 irá 
ocorrer. 
 
12 
 
❖ Assim que o processo de troca de colunas se completa, a primeira coluna passará por 
regeneração,sofrendo purga e permitindo que o oxigênio capturado pelo material 
adsorvente seja liberado na atmosfera. Os processos de adsorção e regeneração em cada 
coluna ocorrem ao mesmo tempo e de maneira cíclica. 
❖ Para a completa regeneração das colunas, é utilizada uma pequena quantidade do 
nitrogênio gerado; 
❖ Como os processos mencionados são cíclicos, o fornecimento de nitrogênio se dá de 
maneira contínua. 
 
2.3. Propriedades físicas 
 
Estado da matéria Gasoso 
Ponto de fusão -210.01 °C ou 63,15 K 
Ponto de ebulição -195.79 °C ou 75,36 K 
Entalpia de fusão 0,3604 kJ/mol 
Entalpia de vaporização 2,7928 kJ/mol 
Volume molar 13,54×10-6 m3/mol 
Velocidade do som 334 m/s a 20 °C 
Classe magnética Diamagnético 
Massa atómica 14,0067 u.m.a 
Raio atómico (calculado) 65 pm 
Raio covalente 75 pm 
Raio de Van der Waals 155 pm 
Configuração electrónica [He] 2s2 2p3 
Electrões (por nível de energia) 2, 5 
Estado(s) de oxidação ±3, 5, 4, 2 (ácido forte) 
Estrutura cristalina Hexagonal 
 
13 
 
2.4.Propriedades químicas 
1. Com o hidrogénio forma o amoníaco (NH3) e a hidrazina ( N2H4 ). O amoníaco líquido - 
anfotero como a água actua como uma base em solução aquosa formando iões amónio 
(NH4
+). O mesmo amoníaco comporta-se como um ácido em ausência de água, cedendo 
um protão a uma base, dando lugar ao anião amida (NH2
-). Também se conhece largas 
cadeias e compostos cíclicos de nitrogénio, porém, são muito instáveis. 
 
Exemplos: 
 
N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g) NH3 (aq) + H2O(aq) → NH4
+ (aq) + OH
-
(aq)
 
 
2. Com o oxigénio forma vários óxidos como o óxido nitroso ( N2O) ou gás hilariante, o 
óxido Nítrico (NO) e o dióxido de nitrogénio ( NO2 ), estes dois últimos são 
representados genericamente por nox e são produtos de processos de combustão, 
contribuindo para o aparecimento de contaminantes (smog fotoquímico). Outros óxidos 
são o trióxido de dinitrogénio (N2O3) e o pentóxido de dinitrogénio (N2O5), ambos muito 
instáveis e explosivos, cujos respectivos ácidos são o ácido nitroso (HNO2) e o ácido 
nítrico (HNO3) que, por sua vez, formam os sais nitritos e nitratos. 
Exemplos: 
 
N2 (g) + 2O2 (g) → 2NO2 (g) 2NO2 (g) + 1/2O2(g) → N2O3 (g) + O2(g) 
 
2.5. Aplicações do nitrogénio 
❖ A mais importante aplicação comercial do nitrogénio é na obtenção do gás amoníaco 
pelo processo Haber. O amoníaco é usado, posteriormente, para a fabricação de 
fertilizantes e ácido nítrico. 
 
❖ É usado, devido a sua baixa reactividade, como atmosfera inertizada em tanques de 
armazenamento de óleos vegetais e animais. Também é usado em tanques de líquidos 
explosivos, durante a fabricação de componentes electrónicos (transístores, diodos, 
circuitos integrados, etc.) e na fabricação do aço inoxidável. O uso de nitrogénio 
 
14 
 
como atmosfera inerte geralmente é feito com a substituição do ar de um ambiente 
fechado por nitrogénio puro (a pureza necessária vai depender da criticidade do 
processo) e consequente diminuição nessa atmosfera dos contaminantes e do oxigénio 
presente no ar. 
 
❖ O nitrogénio líquido, obtido pela destilação do1025.639+ -.01)(/.,mnar líquido, se usa 
em criogenia, já que na pressão atmosférica condensa a -196 °C. 
 
❖ É usado como factor refrigerante, para o congelamento e transporte de alimentos, 
conservação de corpos e células reprodutivas sexuais, masculinas e femininas ou 
quaisquer outras amostras biológicas. 
 
❖ Entre os sais do ácido nítrico estão incluídos importantes compostos como o nitrato 
de potássio (nitro ou salitre empregado na fabricação de pólvora) e o nitrato de 
amónio como fertilizante. Os compostos orgânicos de nitrogénio como a 
nitroglicerina e o trinitrotolueno (TNT) são muito explosivos. A hidrazina e seus 
derivados são usados como combustível em foguetes. 
 
❖ Na medicina nuclear, o 13N (lê-se nitrogénio 13), radioactivo com emissão de 
positrão, é usado no exame PET; 
 
❖ O gás nitrogénio é usado em grandes quantidades como atmosfera inerte, por 
exemplo na metalurgia e em refinarias de petróleo e como reagente na preparação de 
amónia; 
❖ O nitrogénio líquido é usado como agente refrigerante; 
 
❖ Nitratos (NH4NO3, NaNO3) e NH3 tem sido usados como fertilizantes e constituintes 
de explosivos. 
 
 
 
 
15 
 
2.6. Conclusão 
O nitrogénio é o elemento que as plantas necessitam em maior quantidade. É um macro-nutriente 
primário ou nobre. No entanto, devido à multiplicidade de reacções químicas e biológicas, à 
dependência das condições ambientais e ao seu efeito no rendimento das culturas, o nitrogénio é 
também o elemento que apresenta maiores dificuldades de manejo na produção agrícola mesmo 
em propriedades tecnicamente orientadas. 
 
As formas preferenciais de absorção de nitrogénio pelas plantas são a agonia (NH4+) e o nitrato 
(NO3-). Compostos nitrogenados simples, como ureia e alguns aminoácidos, também podem ser 
absorvidos, mas são poucos encontrados na forma livre no solo. Mas, apesar de ser o nutriente 
mais abundante da atmosfera terrestre, o N não figura como constituinte de qualquer rocha 
terrestre. Talvez, seja por este motivo ele é o elemento mais caro dos fertilizantes, pois, para sua 
formação são necessárias diversas reacções químicas, as quais necessitam de muita energia. 
 
Tal afirmação é justificada pelo fato da difícil síntese e alto custo energético da formação do 
NH3. As formas em que o N se apresenta nos adubos nitrogenados são: Nítricas (Ex. Nitrato de 
Cálcio), amoniacal (Ou ambas como e o caso do Nitrato de Amónia), orgânica e amídica (Ureia). 
A concentração de N nos adubos pode variar desde 82% na amónia anidra até alguns décimos de 
1% nos adubos orgânicos. 
 
16 
 
2.7. Referências Bibliográficas 
 
Silva, L. A.; Andrade, J. B.; Rosa, A. H.; Rocha, J. C.; Campos, M. L. A.M.; Jardim, W. F.; 
Martins, C. R.; Pereira, P. A. de P.; Lopes, W. A.; Cadernos Temáticos de Química Nova na 
Escola: Química, Vida e Ambiente, nº 5, novembro de 2003. 
 
Chagas, A. P.; Termodinâmica Química, Ed. da Unicamp: Campinas, 1999. 
 
Tamaru, K. Em The History of the Development of Ammonia Synthesis in Catalytic Ammonia 
Synthesis: Fundamentals and Practice, Jenning, J. R., ed., Plenum Press: New York, 1991. 
 
Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1984). Chemistry of the Elements. Oxford: Pergamon 
Press. ISBN 0080220576 
 
2.7.1. Referências digitais 
 
Gama Gases, Propriedades dos Gases, Nitrogénio 
(http://www.gamagases.com.br/propriedades_nitrogenio.htm) 
 
Machado, Leonardo de Oliveira. Adubação Nitrogenada. 
(http://www.dpv24.iciag.ufu.br/new/dpv24/Apostilas/Monitor%20Leonardo%20- 
%20Apostila%20Adub.%20Nitrogenada%2002.pdf) 
 
17 
 
2.8. Anexo/Apêndice