¿Cómo se inventó y aplicó el método de fijación de nitrógeno amoniacal sintético?
La duplicación de la población de la Tierra requiere que los humanos produzcamos más alimentos para sustentarla. Sin embargo, el espacio de la Tierra es fijo y la tierra per cápita no aumentará. Una forma de resolver el problema es intentar aumentar el rendimiento de grano por acre. El crecimiento de cultivos alimentarios requiere fertilizantes de fósforo, fertilizantes de potasio y fertilizantes de nitrógeno. Sin estos fertilizantes, es difícil tener una buena cosecha. Por lo tanto, la gente reconoce gradualmente la importancia de diversos fertilizantes y el papel clave de los fertilizantes nitrogenados en diversos fertilizantes.
Antes se utilizaban grandes cantidades de fertilizantes nitrogenados en forma de nitrato de sodio y sulfato de amonio. Debido al rápido aumento de la demanda, la gente no puede evitar preocuparse de que pronto se agote el nitrato de sodio y también habrá escasez de sulfato de amonio. Por tanto, el problema de la fijación de nitrógeno ha atraído gran atención por parte de la comunidad científica. El nitrógeno constituye aproximadamente 4/5 de todo el aire de la Tierra. Aunque hay una gran cantidad de nitrógeno libre en el aire, las propiedades químicas del nitrógeno son muy inactivas, lo que dificulta su utilización directa. Los científicos han descubierto que, a temperaturas normales en la naturaleza, el nitrógeno libre sólo puede ser utilizado directamente por un tipo de bacteria que crece en las leguminosas, llamada rizobios. Rhizobium tiene una habilidad maravillosa, es decir, tiene la función de fijar nitrógeno y puede convertir el nitrógeno del aire en el fertilizante nitrogenado que necesita a temperatura ambiente.
En 1902, Haber, profesor de química en el Instituto de Ingeniería de Karlsruhe en Alemania, inició el trabajo de investigación científica que hizo época: fijar nitrógeno en óxidos de nitrógeno y amoníaco (el compuesto más común de nitrógeno). Guiado por la teoría del equilibrio químico, empezó a experimentar poco a poco y con paciencia. Una vez incorporó un recipiente de reacción que podía soportar cientos de presiones atmosféricas en el proyectil de un arma, usó platino, tungsteno, uranio y otros materiales metálicos raros proporcionados por la compañía de lámparas de gas de la Sociedad Amael, y arriesgó altas temperaturas y altas presiones para experimentar continuamente. y encontrar un nuevo catalizador.
En 1907, Harper y otros finalmente lograron obtener amoníaco, un compuesto de nitrógeno con un 8,25%, en condiciones inusuales de alta presión de aproximadamente 550°C y de 150 a 250 atmósferas, y se convirtieron en los primeros Al mismo tiempo, se produjo con éxito 0,1 kilogramos de amoníaco sintético, lo que hizo posible que el desarrollo del amoníaco sintético atravesara el laboratorio y comenzara a ingresar al campo práctico y transformarse en producción industrial.
En 1909, Harper propuso el concepto de "circulación". La llamada "circulación" consiste en devolver al reactor el nitrógeno y el hidrógeno que no han sufrido reacción química y separar el amoníaco reaccionado mediante condensación. De esta manera, las operaciones repetidas pueden aumentar el rendimiento de amoníaco sintético y hacer que el proceso sea práctico. Se puede decir que la propuesta de este concepto es un avance decisivo en el proceso de industrialización de la tecnología de desarrollo del amoníaco sintético.
En 1919, la Academia Sueca de Ciencias consideró que el amoníaco sintético inventado por Haber había desempeñado un papel enorme en la producción económica, y decidió conceder a Haber el mayor honor científico del mundo en 1918, el Premio Nobel de Química. En reconocimiento a sus destacadas contribuciones a la investigación de la síntesis de amoníaco. En su discurso al recibir el premio, Harper describió la invención del amoníaco como "convertir piedras en pan", lo que inesperadamente despertó la indignación unánime de la comunidad científica de todo el mundo. Algunos críticos incluso vincularon el invento de Haber con el inicio de la Primera Guerra Mundial en Alemania, creyendo que su invento también mejoró enormemente la capacidad de producción de explosivos de Alemania en tiempos de guerra.
Ya sea que la metáfora de Harper sea apropiada o no, su invención abrió una manera para que los humanos utilicen directamente el amoníaco libre y también creó un método químico para la síntesis de amoníaco a alta presión. Su importancia no es sólo convertir el nitrógeno de la atmósfera en una fuente barata "inagotable e inagotable" para la producción de fertilizantes químicos, sino también provocar cambios fundamentales en la producción agrícola. Al mismo tiempo, esta invención también promovió en gran medida el desarrollo de ciencia y tecnología relacionadas. Por ejemplo, en 1923, la síntesis de metanol en condiciones de 100 a 200 presiones atmosféricas; en 1926, el petróleo artificial en condiciones de 100 presiones atmosféricas, en 1937, la producción de polietileno a alta presión en condiciones de 1.400 presiones atmosféricas, etc., están todas relacionadas con; La teoría de la síntesis de amoníaco. El establecimiento y el desarrollo están relacionados. Desde este punto de vista, Harper marcó el comienzo de una nueva era en la investigación química.