¿La síntesis persistente de amoníaco de Harper?
A mediados del siglo XIX, la gente tenía una cierta comprensión del mecanismo de crecimiento de las plantas y se volvió cada vez más consciente del importante papel del nitrógeno en la biología. El nitrógeno es un elemento indispensable en todas las proteínas biológicas y, por tanto, es de gran importancia para la supervivencia de los seres humanos y otros organismos en la naturaleza. El contenido total de nitrógeno en la naturaleza representa aproximadamente el 0,04% de la masa total de la corteza y la mayor parte existe en la atmósfera en estado libre. El aire contiene aproximadamente un 78% (fracción de volumen) de nitrógeno, que es el componente principal del aire. Sin embargo, ni los humanos ni otros organismos (a excepción de unos pocos organismos) pueden absorber este nitrógeno libre directamente del aire como nutrientes. Las plantas sólo pueden absorber compuestos que contienen nitrógeno del suelo a través de sus raíces y convertirlos en proteínas; los humanos y los animales sólo pueden complementar sus necesidades comiendo proteínas de diversos animales y plantas. Por lo tanto, el problema de los organismos que necesitan nitrógeno de la naturaleza para alimentarse se reduce en última instancia al problema de las plantas que absorben del suelo compuestos que contienen nitrógeno.
Una de las principales fuentes de compuestos que contienen nitrógeno en el suelo es la transformación de excrementos de animales o restos de animales y plantas en el suelo, la segunda es que los rayos hacen que el nitrógeno y el oxígeno del aire se combinen para formar; los óxidos de nitrógeno, que se disuelven en el agua de lluvia y caen al suelo, en tercer lugar, algunas bacterias, como los rizobios de las leguminosas, absorben nitrógeno del aire y producen algunos compuestos que contienen nitrógeno; Sin embargo, estas fuentes están lejos de satisfacer las necesidades de la producción agrícola a gran escala. Por lo tanto, cómo convertir el nitrógeno libre en la atmósfera en compuestos que contienen nitrógeno que las plantas puedan absorber, es decir, la fijación de nitrógeno, se ha convertido en un tema explorado por los químicos. .
Este tema logró un gran avance a finales de 2019. Según la época de la invención, el primer elemento fue la fabricación de cianamida cálcica. En 1898, Adolf Frank (1834-1916) y sus asistentes, el Dr. F. F. Rozelle y el Dr. N. Carlo, descubrieron que el carburo de bario se formaba después de calentarlo en nitrógeno.
En 1900, CAC+N2/CACN+C Frank descubrió que se puede producir amoníaco hidrolizando cianamida cálcica con vapor sobrecalentado.
CACN+3H2O-CaCO3+2H3 = De esta forma; , el aire El nitrógeno libre se fija en compuestos nitrogenados de cianamida cálcica y amoníaco, que pueden utilizarse como fertilizantes. Así, en 1904, Alemania estableció su primera instalación de producción industrial. En 1905, Italia también construyó fábricas, y luego Estados Unidos y Canadá también construyeron fábricas. En 1921, la producción mundial de cianamida cálcica alcanzará las 500.000 toneladas por año. Pero desde entonces, la construcción de nuevas plantas se ha detenido, ya que ha surgido una industria para sintetizar amoníaco directamente a partir de hidrógeno y nitrógeno.
El segundo tipo es la combinación directa de nitrógeno y oxígeno para formar óxidos de nitrógeno, que se disuelven en agua para formar ácido nítrico y ácido nitroso, pero también son rápidamente eliminados por la industria de síntesis de amoníaco.
La tercera es sintetizar directamente amoniaco a partir de hidrógeno y nitrógeno.
Amoníaco, también llamado amoníaco. La palabra proviene del antiguo dios sol egipcio Amón (también escrito Amón o Amén). Esto se debe a la acumulación de heces y restos de ofrendas de los camellos que montaban los fieles junto al Templo de Amón en el antiguo Egipto. Después de un largo período de cambio, se liberaron gases que contenían amoníaco. En la naturaleza, el amoníaco se produce cuando cualquier materia orgánica que contenga nitrógeno se descompone en ausencia de aire. Esta descomposición se debe al calor o a las bacterias. El olor acre del amoníaco se puede oler en los establos y en las alcantarillas.
En 1774, el químico británico Priestley (1733-1804) calentó una mezcla de cloruro de amonio (NH4Cl) e hidróxido de calcio (Ca(OH)2), y por primera vez recogió amoníaco eliminando el mercurio del aire. llamado aire alcalino. Se había dado cuenta de que la solución de amoníaco era alcalina. Debido a que el amoníaco es fácilmente soluble en agua, se recolecta mediante la eliminación del mercurio y la extracción de gases. En ese momento, llamó "aire" a todas las sustancias gaseosas.
En 1784, el químico francés Berthollet (1748-1822) analizó el amoníaco y determinó que estaba compuesto de nitrógeno e hidrógeno.
El amoníaco original era agua amoniacal, un subproducto de la industria de la coque, porque el carbón contiene un 2% de nitrógeno. Durante el proceso de coquización, parte del nitrógeno (alrededor del 20 % al 25 %) se convierte en amoníaco, que está contenido en el gas. Se lava con agua para producir amoníaco crudo, con un contenido de amoníaco de sólo el 1 %. La gente introduce directamente gas que contiene amoníaco en ácido sulfúrico para preparar sulfato de amonio ((NH4)2SO4).
Desde el siglo XIX, muchos químicos han intentado sintetizar amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno, utilizando catalizadores, arcos eléctricos, altas temperaturas, altas presiones y otros medios para realizar experimentos, pero todos han fracasado, por lo que Algunas personas piensan que es imposible sintetizar amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno. Esto se debe a que el nitrógeno y el hidrógeno son reacciones reversibles para la síntesis de amoníaco:
Hasta el siglo XIX, se lograron algunos avances en termodinámica química, cinética química y catalizadores, lo que permitió a algunos químicos operar eficazmente bajo la guía. de teorías correctas Estudiar la reacción de síntesis de amoniaco.
El químico alemán Haber (Fritz Haber, 1868-1934) lo consiguió. Durante 1901-1911, realizó incansables investigaciones sobre la síntesis directa de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno, su alumno R. Le Rossignol y sus colegas realizaron más de 20.000 experimentos. En 1904, pasó nitrógeno e hidrógeno a través de hierro a presión normal y 1000°C para obtener un producto de amoníaco del 0,012% (fracción en volumen). Aunque la concentración de amoniaco en el producto era demasiado baja y carecía de beneficios económicos, no dejó de experimentar. Luego, basándose en las ecuaciones cinéticas químicas formuladas por el químico holandés Jacobs Henricus Van't Hoff (1852-1911), Hubble calculó las constantes de equilibrio para la reacción de síntesis de amoníaco a presión normal y 1000°C.
Según la ley de acción de masas propuesta por el físico francés Henri-Louis Le Chatelier (1850-1936), se calculó la concentración de equilibrio de amoníaco a presión normal y diferentes temperaturas, y en 1907 se calculó la concentración de equilibrio de un gran número de reacciones de síntesis de amoníaco. Se midieron los datos experimentales. A través del trabajo anterior, se dio cuenta de que la tasa de conversión del amoníaco sintético no podía ser tan alta como la de la producción de ácido sulfúrico, por lo que consideró utilizar un método de gas de reacción circulante a alta presión para separar continuamente el amoníaco generado de este ciclo, y luego Seleccionó un catalizador eficaz para lograr el éxito. En 1908, Hubble solicitó la patente original para la síntesis de amoníaco, propuso por primera vez la idea de recuperar el gas de síntesis de amoníaco y también propuso medidas para lograr la recuperación de energía térmica en la circulación de gas a alta presión. En 1909 solicitó una patente para una mezcla de osmio y uranio-carburo de uranio como catalizador; en mayo de 1910 finalmente logró resultados prometedores en el laboratorio; Primero, utilizando osmio como catalizador, el nitrógeno y el hidrógeno reaccionan a una presión de 65438±075 kgf/cm2 y una temperatura de 550°C para obtener un 8% de amoníaco en el gas mezclado. Posteriormente se utilizó como catalizador carburo de uranio-uranio y se obtuvo amoniaco al 10% usando una presión de 125 kgf/cm2 y una temperatura de 500°C. El 18 de mayo de 1910, pronunció un discurso en el Simposio de Ciencias Naturales en Karlsruhe, Alemania (era profesor de química en el Colegio Industrial de la ciudad) y demostró un dispositivo experimental de síntesis de amoníaco a alta presión, anunciando que el futuro del nuevo amoníaco Se había abierto la industria de la síntesis.
He Bingchang Haber y la primera planta de amoníaco sintético del mundo. Boletín Químico, 1984(9).
Haber aplicó experimentos exitosos a la producción industrial y trabajó con los químicos Carl Bosch (1874-1940), F. Lappe y Alwin Mittash para fabricar los famosos Badische Anilin y Soda Fabrick (BASF) de Alemania. el equipo de presión necesario para la industria de síntesis de amoníaco en Bosch resolvió una serie de problemas mecánicos bajo alta temperatura y alta presión; Mittach desarrolló con éxito un catalizador de hierro que contiene una pequeña cantidad de alúmina y carbonato de potasio para la síntesis de amoníaco industrial. En 1911, construyeron la primera planta industrial de amoníaco del mundo en Oppau, cerca de Ludwigshafen, Alemania. La capacidad de producción anual de amoníaco sintético se fija en 9.000 toneladas. La construcción comenzó el 9 de septiembre de 2003 y se completó la fijación artificial de nitrógeno. Debido a esto, Hubble ganó el Premio Nobel de Química en 1918 y Bosch también ganó el Premio Nobel de Química en 1931.
Si bien Hubble creó una forma de salvar a millones de criaturas hambrientas, también diseñó un arma horrible para matar. El 22 de abril de 1915, alrededor de las cinco de la tarde del año siguiente, estalló la Primera Guerra Mundial. Alemania abrió casi 6.000 cilindros y unas 180 toneladas de cloro gaseoso y los esparció en manos de las fuerzas aliadas canadienses y las tropas argelinas francesas que custodiaban la línea de defensa de Ypres en Bélgica, lo que provocó 15.000 bajas, incluidas 5.000 muertes. historia. Su esposa, Clara Imovar, doctora en química, le rogó que dejara el trabajo. Después de que su marido se negó, se suicidó con la pistola de Harper. Por tanto, el Hubble fue condenado y vilipendiado por las generaciones futuras.