Metoda Habera i Boscha - Polski Serwis Naukowy

Metoda Habera i Boscha – proces technologiczny umożliwiający otrzymywanie amoniaku z azotu i wodoru, zgodnie z reakcją chemiczna:

$N_{2(g)} + 3 H_{2(g)} \rightarrow 2 NH_{3(g)} + 91,88kJ$

Metoda bezpośredniej syntezy amoniaku z wodoru i azotu została odkryta przez niemieckiego fizykochemika, Fritza Habera. Otrzymał on za to, w 1918 roku, Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii . Odkrycie umożliwiło wytworzenie amoniaku na skalę przemysłową, przy użyciu katalizatorów i wysokiego ciśnienia, metodą ekonomicznie opłacalną. Metoda została wykorzystana na dużą skalę przez Carla Boscha, chemika przemysłowego, który otrzymał Nagrodę Nobla w 1931 roku, wspólnie z Friedrichem Bergiusem za badania nad reakcjami prowadzonymi w wysokich ciśnieniach. Jednym z dwóch pionierskich zakładów produkujących przemysłowo amoniak tą metodą były Zakłady Azotowe w Chorzowie.

Reakcja chemiczna – każdy proces, w wyniku którego pierwotna substancja zwana substratem przemienia się w inną substancję zwaną produktem. Aby cząsteczka substratu zamieniła się w cząsteczkę produktu konieczne jest rozerwanie przynajmniej jednego z obecnych w niej wiązań chemicznych pomiędzy atomami, bądź też utworzenie się przynajmniej jednego nowego wiązania. Reakcje chemiczne przebiegają z reguły z wydzieleniem lub pochłonięciem energii cieplnej, promienistej (alfa lub beta) lub elektrycznej.

Chemia fizyczna, fizykochemia – jeden z głównych działów chemii zajmujący się poznaniem zjawisk fizycznych występujących w trakcie i na skutek przemian (reakcji) chemicznych. Chemia fizyczna zajmuje się także własnościami fizycznymi związków chemicznych wynikającymi bezpośrednio z ich struktury chemicznej. Ze względu na najwyższy spośród głównych działów chemii stopień użycia metod matematycznych jest też działem najbliższym fizyce. Zob. też fizyka chemiczna.

Znaczenie

Współcześnie ocenia się, że nawozy azotowe produkowane przy użyciu tej metody odpowiedzialne są za produkcje żywności utrzymującej przy życiu ok. jednej trzeciej ludzkości. Według innej oceny, połowa protein w ludziach została związana przy użyciu azotu pochodzącego z tej metody (reszta została związana przez bakterie). Metoda ta jest także szeroko wykorzystywana do produkcji materiałów wybuchowych (zobacz azotan amonu).

Wodór (H, łac. hydrogenium) – pierwiastek chemiczny, niemetal z bloku s układu okresowego. Jest to najprostszy możliwy pierwiastek o liczbie atomowej 1, składający się z jednego protonu i jednego elektronu.

Friedrich Bergius (ur. 11 października 1884 w obecnej dzielnicy Wrocławia, Złotnikach zm. 30 marca 1949 w Buenos Aires) - chemik, profesor uniwersytetu w Hanowerze, Essen i Heidelbergu. Prace badawcze nad wysokociśnieniowym uwodornianiem węgla do węglowodorów ciekłych- benzyna syntetyczna (metoda Bergiusa), scukrzaniem drewna (hydroliza celulozy), opracowanie metody otrzymywania fenolu z chlorobenzenu oraz glikolu z etylenu. W 1931 zdobył wraz z Carlem Boschem Nagrodę Nobla z dziedziny chemii, za wkład w wynalezienie i rozwój chemicznych metod wysokociśnieniowych. Jest zasłużony dla Wrocławia.

Proces otrzymywania

Proces przebiega w trzech etapach:

azot i wodór trafiają do sprężarki, gdzie osiągają ciśnienie 250 atmosfer,
gazy reagują w konwentorze zawierającym katalizator (metaliczne żelazo z dodatkiem promotorów),
gazy wypływające z konwertora są oziębiane do temperatury -50°C; celem tej operacji jest oddzielenie ulegającego kondensacji amoniaku od azotu i wodoru, które nie przereagowały.

Im niższa jest temperatura i wyższe ciśnienie, tym większa równowagowa zawartość amoniaku w mieszaninie. Obniżanie temperatury powoduje jednak spadek szybkości tworzenia się amoniaku, niezbędny jest zatem znalezienie optymalnej temperatury, przy której uzyskuje się akceptowalną szybkość tworzenia amoniaku oraz wydajność tej reakcji. W praktyce przemysłowej reakcja ta jest przeprowadzana przy ciśnieniu zawierającym się w przedziale od 200 do 400 atmosfer oraz temperatur wahających się pomiędzy 400 a 650 °C.

Fritz Haber (ur. 9 grudnia 1868 we Wrocławiu, zm. 29 stycznia 1934 w Bazylei) - chemik niemiecki pochodzenia żydowskiego, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 1918 r.

Proces technologiczny – uporządkowany ilościowo i jakościowo zbiór czynności zmieniających własności fizyczne (kształt, wielkość), formę występowania lub własności chemiczne określonej substancji (materiału). Proces technologiczny razem z czynnościami pomocniczymi (przemieszczanie materiału) stanowią proces produkcyjny, w wyniku którego otrzymywany jest produkt.

Katalizator

Katalizatorem tej reakcji jest Fe, które pochodzi z magnetytu. Magnetyt stapia się z promotorami w temperaturze 1600 °C, odlewa, chłodzi i rozdrabnia na granulki (3-8 mm)

Aby zwiększyć skuteczność działania katalizatora dodaje się do niego:

K2O – który zmniejsza wrażliwość na zatrucia związkami siarki, ale zwiększa wrażliwość na zatrucia związkami tlenu

CaO – zwiększa odporność na przegrzanie oraz wrażliwość na zatrucie związkami siarki i chloru, gdy część CaO zastąpi się MgO wzrasta aktywność

Al2O3 – stabilizuje porowatą strukturę, zwiększa powierzchnię i przeciwdziała nadtapianiu się w miejscach aktywnych

SiO2 – stabilizuje porowatą strukturę.

Przypisy

David W. Wolfe, "Tales from the underground a natural history of subterranean life", Perseus, Cambridge, Massatschussets, 2001, isbn 0738201286
BBC: Discovery - Can Chemistry Save The World? - 2. Fixing the Nitrogen Fix