Jelaskan Kesetimbangan dan laju reaksi dari Proses Haber

Nitrogen (N2) sangat tidak reaktif karena molekulnya berikatan melalui ikatan rangkap tiga yang kuat. Proses Haber bersandar pada katalis yang mempercepat pemutusan ikatan rangkap tiga ini.

Dua pertimbangan yang berlawanan relevan untuk sintesis ini: posisi kesetimbangan dan laju reaksi. Pada temperatur ruang, kesetimbangan bergeser ke arah amonia, tetapi reaksi berlangsung pada laju yang tak dapat dideteksi. Pemecahan yang nyata adalah dengan menaikkan temperatur, tetapi karena reaksi adalah eksotermik, tetapan kesetimbangan (dalam satuan bar atau atm) menjadi 1 dari . (Lihat prinsip Le Chatelier.)

Di atas temperatur ini, kesetimbangan dengan cepat menjadi kurang menguntungkan pada tekanan atmosfer, sesuai dengan persamaan Van't Hoff. Oleh karena itu, ada asumsi bahwa digunakan suhu rendah dan beberapa cara lain untuk meningkatkan laju reaksi. Namun, katalis itu sendiri membutuhkan suhu minimal 400 °C agar efisien.

Tekanan adalah pilihan yang jelas untuk mendukung reaksi maju karena ada 4 mol reaktan untuk setiap 2 mol produk (lihat entropi), dan tekanan yang digunakan () mengubah konsentrasi kesetimbangan untuk memberikan rendemen yang menguntungkan.

Secara ekonomi, tekanan adalah komoditas yang mahal. Pipa dan bejana reaksi perlu diperkuat, katup diperketat, dan ada pertimbangan keselamatan kerja pada 20 MPa. Selain itu, pompa dan kompresor yang sedang bekerja membutuhkan energi yang cukup besar. Berdasarkan kompromi digunakan parameter yang memberikan rendemen tunggal sekitar 15%.

Cara lain untuk meningkatkan rendemen reaksi yaitu dengan menyingkirkan produk (yaitu gas amonia) dari sistem. Dalam praktiknya, gas amonia tidak disingkirkan dari reaktor itu sendiri, karena suhu terlalu tinggi; ia dihilangkan dari campuran kesetimbangan gas saat meninggalkan bejana reaksi. Gas panas didinginkan secukupnya, sementara menjaga tekanan tinggi, agar amonia terkondensasi dan dapat dihilangkan sebagai cairan. Gas hidrogen dan nitrogen yang tidak bereaksi kemudian dikembalikan ke bejana reaksi untuk menjalani reaksi lebih lanjut.