Все мы пользуемся продуктами азотной промышленности, но мало кто задумывается, откуда они берутся. Сегодня мы расскажем об удивительной истории открытия реакции синтеза аммиака, которая коренным образом изменила сельское хозяйство, промышленность и в целом жизнь людей. Узнаем, как ученые сумели осуществить этот трудный синтез, и почему он так важен.
История открытия синтеза аммиака
Первые попытки получить аммиак искусственным путем относятся еще к XIX веку. Химики пытались провести реакцию между азотом и водородом, нагревая их до очень высоких температур - свыше 2000°C. Однако выход аммиака был ничтожно малым.
Настоящий прорыв произошел в начале XX века благодаря работам немецкого химика Фрица Габера и инженера Карла Боша. Им удалось подобрать оптимальные условия для синтеза аммиака - высокое давление около 300 атмосфер и температуру около 500°C. Не менее важным было использование катализатора на основе железа, который значительно ускорял реакцию.
В 1910 году было показано, что лучшим катализатором является плавленое железо с добавками оксидов алюминия, калия и кальция. Этот катализатор стал основным для синтеза аммиака на 90 лет.
В 1913 году по заказу Габера компания BASF построила первый в мире завод по промышленному производству аммиака в городе Оппау. А через 10 лет, в 1923 году, в СССР заработал опытный цех по синтезу аммиака на Чернореченском химзаводе под Дзержинском.
С тех пор производство аммиака по методу Габера непрерывно совершенствовалось. Росла производительность установок, снижалась их энергоемкость, появлялись новые катализаторы. К настоящему времени метод Габера позволяет ежегодно производить около 150 млн тонн аммиака в мире.
Химические основы процесса Габера
Химическая реакция синтеза аммиака выглядит довольно просто:
N2 + 3H2 → 2NH3
Однако на самом деле эта реакция обратима и не идет до конца самопроизвольно. При нагревании равновесие реакции смещается в обратную сторону, и аммиак вновь разлагается на азот и водород.
Чтобы добиться высокого выхода аммиака, Габер и Бош использовали следующие приемы:
- Высокое давление (до 300 атмосфер), которое смещает равновесие реакции вперед
- Высокая температура (около 500°C) для ускорения реакции
- Катализатор на основе железа, который также ускоряет реакцию
- Быстрое охлаждение полученной смеси для остановки обратной реакции
- Рецикл непрореагировавших газов азота и водорода
Благодаря этим ухищрениям было достигнуто промышленное производство аммиака, несмотря на обратимость реакции синтеза. В то же время процесс Габера оказался очень энергозатратным из-за необходимости сжимать газы и нагревать реакционную смесь до высокой температуры.
Некоторые почвенные бактерии, такие как клубеньковые бактерии бобовых растений, умеют синтезировать аммиак при комнатной температуре и атмосферном давлении. Однако их производительность намного ниже, чем у промышленных установок Габера. Поэтому пока приходится мириться с высокими энергозатратами ради получения дешевого аммиака.
Значение аммиака для сельского хозяйства
Одно из важнейших применений аммиака - производство азотных удобрений. Азот необходим для роста растений, но в почве его часто не хватает. Внесение азотных удобрений резко повышает урожайность сельскохозяйственных культур.
Если до внедрения минеральных удобрений урожайность зерновых в Европе составляла около 7 ц/га, то теперь в развитых странах она достигает 30-40 ц/га, а иногда и выше. Такого прорыва в сельском хозяйстве удалось добиться именно благодаря доступности дешевых азотных удобрений на основе аммиака.
Основные виды азотных удобрений:
- Аммиачная селитра NH4NO3
- Карбамид (мочевина) CO(NH2)2
- Аммиачная вода NH3 · H2O
Их ежегодное мировое производство составляет сотни миллионов тонн. Трудно переоценить вклад этих удобрений в продовольственную безопасность растущего населения Земли. Поэтому синтез аммиака по праву считается одним из величайших достижений химической науки.
В будущем ученые работают над созданием новых, более эффективных форм азотных удобрений на основе ингибиторов нитрификации и медленно высвобождающих азот соединений. Это позволит снизить потери азота из удобрений и повысить их эффективность.
Применение аммиака в промышленности
Помимо сельского хозяйства, аммиак нашел широкое применение в различных отраслях промышленности.
Одно из первых применений - производство взрывчатых веществ. На основе аммиака получают аммонийную селитру, тринитротолуол (тротил) и другие бризантные вещества. Это позволило отказаться от слабых дымных порохов и перейти к намного более мощным взрывчатым смесям.
Еще одно важное применение - синтез азотной кислоты при взаимодействии аммиака с кислородом воздуха. Азотная кислота необходима для производства удобрений, взрывчатых веществ, а также является реагентом для органического синтеза.
Аммиак используется в производстве полимеров, таких как капрон и нейлон. Он входит в состав различных пластмасс. Кроме того, на основе аммиака получают моющие средства, такие как хозяйственное мыло, шампуни, стиральные порошки.
Экологические аспекты
Процесс синтеза аммиака и использование его производных несет определенную экологическую нагрузку.
При синтезе в атмосферу выбрасывается до 2% непрореагировавшего аммиака, который токсичен. Также образуются оксиды азота, усиливающие парниковый эффект.
Азотные удобрения, попадая в почву, частично вымываются, загрязняя грунтовые воды. Избыток нитратов вреден для здоровья человека.
Для снижения негативного воздействия необходимо:
- Очищать выбросы аммиака на производстве
- Разрабатывать более экологичные удобрения
- Не применять избыточные дозы удобрений
- Перерабатывать отходы, содержащие соединения азота
Биологическая фиксация азота
Некоторые бактерии, такие как клубеньковые бактерии бобовых растений, умеют усваивать молекулярный азот из воздуха и превращать его в аммиак или нитраты.
Этот естественный процесс называется биологической фиксацией азота. Он протекает при нормальных условиях, без больших затрат энергии.
Однако по производительности биофиксация азота сильно уступает промышленному синтезу по Габеру. Например, для производства 1 т аммиака требуется:
- В промышленности: 3200 кВт·ч электроэнергии
- При биофиксации: 5000 кВт·ч энергии АТФ
Тем не менее, изучение процессов биофиксации может помочь создать более эффективные промышленные катализаторы или генно-модифицированные растения, самостоятельно усваивающие азот.
Интересные факты о синтезе аммиака
За более чем вековую историю процесса Габера накопилось немало любопытных фактов.
- Одним из первых катализаторов был порошок из осмия, но его быстро заменили на более дешевое железо.
- В 1910 году взрыв на заводе BASF унес жизни 21 человека, поэтому позднее стали проводить синтез аммиака не в цехе, а в отдельном бункере.
- Синтез аммиака упоминается в фантастическом романе А.Н. Толстого "Гиперболоид инженера Гарина".
Знание истории помогает лучше оценить вклад ученых в создание этой важной технологии.
Хабер и его вклад в науку
Основоположником промышленного синтеза аммиака по праву считается немецкий химик Фриц Габер.
Родившись в 1868 году, он изучал химию в университетах Германии и работал в промышленности. С 1909 года Габер начал эксперименты по синтезу аммиака, которые увенчались успехом.
За это достижение в 1918 году Габер был удостоен Нобелевской премии по химии. Он также внес вклад в создание синтетического каучука, метанола и других важных веществ.
Вместе с тем Габера критикуют за причастность к разработке химического оружия для Германии во время Первой мировой войны.
Тем не менее, синтез аммиака принес человечеству гораздо больше пользы, чем вреда. Процесс Габера до сих пор лежит в основе азотной промышленности.
Перспективы развития процесса Габера
Несмотря на вековую историю, процесс синтеза аммиака продолжает совершенствоваться.
Ведутся работы по созданию более эффективных и дешевых катализаторов на основе железа, алюминия, рутения.
Изучаются альтернативные способы получения водорода, например, из воды или метана.
Разрабатываются технологии разделения газов с использованием мембран вместо энергоемкой перегонки.
Все это поможет снизить себестоимость аммиака и расширить его применение, например, как экологичного топлива.
