¿Qué impacto tuvo la invención de los fertilizantes químicos en el desarrollo agrícola?
Una tecnología relacionada con la economía nacional y el sustento de las personas
——La invención y aplicación de fertilizantes químicos en la primera mitad del siglo XX Como dice el refrán: "Un solo. El cultivo depende enteramente de los fertilizantes." Sin embargo, antes del siglo XX, las fuentes de fertilizantes nitrogenados necesarios para los cultivos eran muy limitadas.
A principios del siglo XIX se descubrió una gran mina de nitrato de sodio en la zona desértica de Chile, y a mediados del siglo XIX se extrajo rápidamente el fertilizante nitrogenado utilizado en. El mundo provino principalmente de este yacimiento en Chile. Sin embargo, como la producción de salitre natural es extremadamente limitada, la mina en Chile sólo puede explotarse durante unas pocas décadas, por lo que era muy raro en el mundo en ese momento. Además de su escasez, la larga distancia entre América y Europa constituía una desventaja importante.
A finales del siglo XIX, con el aumento gradual de la industria de la coquización en los países europeos, la gente también descubrió que utilizando amoníaco, un subproducto de la coquización, como materia prima, se podía fabricar y utilizar sulfato de amonio. Como fertilizantes nitrogenados, los subproductos de coque baratos se están convirtiendo cada vez más en otra fuente de fertilizantes nitrogenados. Sin embargo, todavía está lejos de satisfacer las necesidades. Los fertilizantes nitrogenados utilizados en la agricultura en aquella época procedían principalmente de subproductos orgánicos, tales como: estiércol humano y animal, tortas de maní, tortas de frijoles, pescado maloliente, camarones podridos y restos de animales, etc. Además, una cantidad muy pequeña de nitrógeno proviene de los óxidos de nitrógeno formados por las descargas de tormentas.
Con el desarrollo de la producción agrícola y el continuo aumento de la población terrestre, la cantidad de compuestos nitrogenados naturales se ha vuelto cada vez más incapaz de satisfacer las necesidades del crecimiento de los cultivos. Los países de todo el mundo exigen cada vez más el establecimiento de. Plantas de producción a gran escala para la industria de compuestos nitrogenados.
En 1898, el físico británico Crooks fue el primero en darse cuenta de la importancia de los fertilizantes químicos para la humanidad. Pronunció un discurso en la Asociación Científica Británica celebrada en Bristol, tras enumerar una gran cantidad de hechos, se advirtió a la gente. : "Debido al aumento de la población, la tierra se ha vuelto más estrecha. Si esto continúa, llegará la era de la escasez de alimentos. La solución es encontrar nuevos fertilizantes nitrogenados."
(1) Al aire ¿Necesita fertilizante nitrogenado?
¿Dónde encontrar un nuevo fertilizante nitrogenado? Los científicos naturalmente pensaron en el aire. Los científicos ya saben que el nitrógeno constituye una parte considerable del aire que rodea la Tierra, alrededor del 79%, y se puede decir que es inagotable. Sin embargo, aunque hay una gran cantidad de nitrógeno libre en el aire, las propiedades químicas del nitrógeno son muy inactivas y todavía es muy difícil utilizarlo directamente. 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 capacidad maravillosa, es decir, tiene la función de fijar nitrógeno. Puede convertir el nitrógeno del aire en el fertilizante nitrogenado que necesita a temperatura ambiente. Por lo tanto, obtener fertilizantes nitrogenados del aire se ha convertido en el objetivo de los científicos.
La advertencia de los delincuentes atrajo primero la atención de Alemania, porque Alemania tenía muy pocas colonias y debía ser autosuficiente en alimentos. Al igual que los científicos de otros países europeos, los químicos alemanes también quieren combinar directamente el nitrógeno del aire con hidrógeno para sintetizar amoníaco y convertirlo en sulfato de amonio como fertilizante. Sin embargo, esto no es tan sencillo como combinar oxígeno e hidrógeno para formar vapor de agua. Muchos químicos piensan que es difícil de hacer, e incluso el famoso químico Liebig pensaba que era imposible.
Sin embargo, la conclusión de Liebig es un poco exagerada. Después de que la humanidad entró en el siglo XX, los científicos gradualmente hicieron realidad todo esto y desarrollaron varios tipos de extractores de nitrógeno del aire que extraen el nitrógeno del aire en forma de compuestos. Método fijo. Aunque no es muy práctico, sienta las bases para el desarrollo futuro.
A principios de 1900, el profesor Ostwald de la Universidad de Leipzig anunció, después de muchos años de investigación sobre catalizadores, que se había sintetizado con éxito amoníaco. Usó alambre de hierro como catalizador para descomponer el amoníaco en nitrógeno e hidrógeno y, a su vez, sintetizó amoníaco a partir del 6% del volumen de nitrógeno e hidrógeno. De hecho, esto es posible, y el uso de catalizadores puede permitir combinaciones de nitrógeno e hidrógeno que antes eran imposibles. Para ello solicitó una ayuda de 1 millón de marcos a la empresa alemana de cenizas de sosa de anilina de Baden (BASF Chemical Company).
Sin embargo, todavía hay muchos científicos que se muestran escépticos. Entre los muchos que dudan, uno planteó preguntas después de una cuidadosa reflexión: se trata de Bosch, un joven ingeniero que acaba de trabajar durante un año en BASF. Sólo tenía 26 años en ese momento.
Después de que Bosch conoció el exitoso método de Ostwald para sintetizar amoníaco, volvió a realizar el experimento de este gran científico. Como resultado, descubrió que el llamado amoníaco sintético no se sintetizaba en absoluto, pero sí. en realidad causado por Pensó una y otra vez si debería señalar el error del gran científico al usar alambre de hierro en el experimento de descomposición de amoníaco. Finalmente, se armó de valor para publicar los resultados de su investigación y señaló formalmente el error de Ostwald.
Para muchos científicos famosos, Bosch era realmente un don nadie. Algunos lo acusaban: "¿Qué saben los nuevos en este oficio?"
Sin embargo, algunos científicos repitieron experimentos más tarde. Se llevaron a cabo y los resultados demostraron que Bosch tenía razón. Comenzaron a mirar a Bosch con admiración y Bosch se hizo famoso. A partir de entonces, se interesó en el método de fijar nitrógeno en el aire.
En 1902, los científicos Frank y Kahler calentaron carburo de calcio a más de 1000°C en un horno eléctrico para combinarlo con nitrógeno del aire para producir nitrógeno de cal. Sin embargo, esto no significaba que el nitrógeno artificial fuera. El sueño de sintetizar fertilizantes nitrogenados se debe a que para producir carburo de calcio, la cal viva y el coque deben colocarse en un horno eléctrico de alta temperatura por encima de los 2300°C, lo que consume mucha electricidad y no es práctico. Por tanto, no existe una solución fundamental al problema de los fertilizantes químicos necesarios en la agricultura.
En 1903, Birkeland y Ed desarrollaron otro método para fijar nitrógeno. Utilizaron el método de liberar chispas eléctricas en el aire para combinar el nitrógeno del aire con oxígeno para generar ácido nítrico. , pero nuevamente, el problema es: este método todavía requiere mucha electricidad.
Después de que Ostwald anunciara sus resultados experimentales, Bosch y otros señalaron sus errores y, finalmente, él mismo se dio cuenta de sus errores. Se inclinó y continuó realizando una investigación en profundidad sobre los catalizadores.
La Universidad de Leipzig, donde se encontraba Ostwald, ya en enero de 1897 había construido un gran laboratorio, por lo que tenía las condiciones indispensables para una investigación en profundidad. Trabajó con investigadores en la investigación de catalizadores. Una vez descubrieron que usar sólo una diezmillonésima parte de un gramo de un catalizador de platino coloidal podría aumentar la velocidad de descomposición del óxido de hidrógeno en un millón de veces. Cree firmemente que los catalizadores deben desempeñar un papel importante en la producción industrial. Durante mucho tiempo, ¿qué tipo de catalizador es más eficaz para qué tipo de reacción química? ¿Qué tipo de estructura de catalizador acelera o retrasa la reacción química? La gente no comprende estos problemas y todos los exploran basándose en la experiencia. Ostwald realizó una investigación teórica y definió un catalizador de la siguiente manera:
“Una sustancia que puede cambiar la velocidad de reacción antes de que se produzca el producto final de una reacción química”.
También lo expresó vívidamente. comparó el catalizador con el "aceite lubricante mecánico". No proporciona energía mecánica, pero puede reducir la fricción.
Osterwalder abrió el camino para el uso industrial de catalizadores, uno de los símbolos de la tecnología química moderna, y allanó el camino para los fertilizantes sintéticos. Sin su teoría de los catalizadores, otros no la tendrían en el futuro. Fertilizantes sintéticos.
(2) Harper contribuyó mucho
Subiendo el río Rin desde Port Louis, donde se encuentra BASF, hay un lugar llamado Karlsruhe, donde hay una famosa La universidad se llama Instituto Tecnológico de Karlsruhe. Fritz Haber, profesor de química de la universidad, también quedó profundamente afectado por la advertencia de Crookes en ese momento y comenzó a dedicarse a la investigación de la síntesis de amoníaco.
A principios de 1902, con el fin de estudiar la teoría de la síntesis de amoníaco, Harper viajó a Estados Unidos para una investigación científica. Realizó un viaje especial para visitar una fábrica en Niágara que producía nitrógeno fijo que simulaba el natural. descargas de tormentas. Durante la visita, desarrolló un gran interés en la investigación sobre la fijación de nitrógeno en óxidos de nitrógeno y amoníaco. Después de regresar a Alemania, se sumergió en el laboratorio y comenzó este trabajo de investigación que hizo época.
En 1904, dos empresarios químicos de Viena, los hermanos Margulis, se dieron cuenta de la gran importancia de este trabajo, acudieron al Instituto de Ingeniería de Karlsruhe y firmaron formalmente un acuerdo con Haber para estudiar la síntesis de. amoníaco a partir de elementos nitrógeno e hidrógeno. A partir de entonces, Haber y sus alumnos y asistentes dedicaron todos sus esfuerzos a la investigación experimental sobre la síntesis de amoníaco.
Harper estudió la teoría de la síntesis del amoniaco, partiendo de las condiciones de equilibrio de reacciones reversibles. Harper creía que el conocimiento de los catalizadores por sí solo no era suficiente y requería una nueva comprensión de las reacciones químicas: la teoría del equilibrio químico. El núcleo de esta teoría es que no todas las materias primas se convertirán en sustancias producto y, al mismo tiempo, en las generadas. Las sustancias también se producirán una reacción inversa. Bajo ciertas condiciones de reacción, es decir, concentración, temperatura y presión, esta reacción directa e inversa está equilibrada.
Harber se dio cuenta de que si las condiciones de reacción se ajustaban basándose en esta idea, la síntesis de amoníaco, que antes se consideraba imposible, podría ser posible. Harper pensó al principio que tal vez las altas temperaturas provocarían esta reacción. Comenzó a realizar experimentos de acuerdo con su idea, pero los resultados fueron inesperados. Cuando la temperatura aumentó a 1000 °C, la producción de amoníaco fue solo del 0,012 % del volumen de materia prima, lo que no fue tan bueno como la producción a baja temperatura. Sin embargo, cuando se reduce la temperatura de reacción, la reacción se vuelve muy lenta. Harper creía que para acelerar las reacciones químicas se necesitaban catalizadores adecuados.
Durante más de un año, desde abril de 1904 hasta julio de 1905, aunque Harper y los demás persistieron en realizar varios experimentos aburridos en el laboratorio día y noche, casi todos los experimentos fracasaron. Como resultado, los hermanos Margulis cancelaron su apoyo financiero al proyecto cuando vieron que no había ganancias. Como resultado, Harper cayó en una situación extremadamente embarazosa.
Al mismo tiempo, el profesor Walter Hermann Nernst, que estudiaba la teoría del equilibrio químico en la Universidad de Berlín, también había invertido en la investigación de la teoría de la síntesis de amoníaco. Él personalmente construyó un autoclave para realizar altas concentraciones. -Experimento de síntesis de amoniaco a alta presión y temperatura. Después de los experimentos, descubrió que había algún problema con los resultados experimentales de Haber. El número era demasiado grande, de hecho, era solo del 0,0032%, lo que era un orden de magnitud menor. Esto demostró que los resultados experimentales de Haber no eran factibles.
Para industrializar su investigación, Walter Hermann Nernst encargó a una conocida empresa química que fabricara equipos. Aunque la presión no era demasiado alta, a esta empresa todavía le resultaba difícil fabricar equipos que pudieran soportar temperaturas tan altas. temperatura y presión, por lo que cometió un gran error y abandonó la idea de la industrialización y se sumergió en la investigación de laboratorio.
Aunque Haber se equivocó en sus cálculos, en el debate con Nernst descubrió que para aumentar aún más la producción era necesario aplicar alta presión, bajar la temperatura y utilizar un catalizador.
Nernst se desanimó, pero Haber no. Inició un nuevo experimento donde lo había dejado Walter Hermann Nernst. En ese momento, no solo estaba familiarizado con la teoría de este experimento, sino que también tenía las bases para el éxito.
Bajo la guía de la teoría del equilibrio químico, Haber y otros comenzaron a realizar experimentos poco a poco y con paciencia experimentaron qué porcentaje del rendimiento se podía lograr bajo qué presión y temperatura. También hicieron grandes esfuerzos para encontrar el mejor catalizador. Una vez incrustaron un recipiente de reacción que podía soportar cientos de atmósferas de presión en un proyectil de arma y utilizaron platino, tungsteno, uranio y otros metales raros proporcionados por la compañía de lámparas de gas de Aouel. Sociedad. Encontrar nuevos catalizadores.
Fue en tal situación que Harper continuó experimentando a riesgo de altas temperaturas y altas presiones. En el momento crítico en el que la investigación experimental de Harper había fracasado repetidamente y estaba perdida, las Actas de la Academia Francesa de Ciencias informaron que los químicos franceses utilizaron alta temperatura y alta presión para sintetizar amoníaco, lo que provocó una explosión en el reactor. Después de enterarse de esto, Harper se sintió profundamente inspirado y cambió decisivamente las condiciones experimentales, especialmente aumentó la presión de reacción y mejoró el proceso. Finalmente, se lograron avances emocionantes y la producción de amoníaco sintético aumentó significativamente.
En 1907, Harper y otros seleccionaron osmio o uranio como catalizador y obtuvieron con éxito un 8,25 % de amoníaco en condiciones inusuales de alta presión de aproximadamente 550 °C y de 150 a 250 atmósferas, lo que fue la primera vez. Al mismo tiempo, se produjo con éxito 0,1 kilogramos de amoníaco sintético, lo que permitió que el amoníaco sintético superara la etapa de laboratorio. Sin duda, se trata de un avance con valor práctico. En ese momento, Nernst utilizó polvo de platino o polvo fino de hierro y manganeso como catalizador a 50 presión atmosférica y 685°C, pero solo logró un rendimiento del 0,96% de amoníaco. El experimento de Haber fue casi ocho veces mayor que el experimento de Nernst.
Esta victoria animó enormemente a Harper y sus asistentes. Tenían el presentimiento de que la investigación experimental sobre la síntesis de amoníaco había entrado en la etapa práctica, por lo que intensificaron su investigación sobre la síntesis de amoníaco a alta temperatura y alta presión. proceso. Después de una ardua investigación experimental, obtuvieron una serie de datos experimentales de primera mano, aceleraron enormemente el ritmo de la investigación experimental y continuaron logrando nuevos y emocionantes avances.
Los resultados de la investigación científica de Haber conmocionaron enormemente a la industria química europea. La empresa alemana Baden Aniline Soda Ash fue la primera en llegar y pagó a Haber 2.500 dólares por su patente. y prometió comprar todos los resultados de sus investigaciones futuras. Sin embargo, muchos ingenieros de la empresa expresaron su inquietud por el calor al rojo vivo de la vasija de acero del reactor y se sorprendieron aún más por la alta presión, por lo que tenían dudas sobre su industrialización. Pensaron en la noticia sobre la explosión del reactor en Francia y dijeron preocupados: "El autoclave que explotó ayer sólo tiene 7 atmósferas de presión". La implicación es que las condiciones experimentales de alta presión de Haber también pueden provocar una explosión.
En 1909, Harper propuso un nuevo concepto de "circulación". La llamada "circulación" consiste en devolver al reactor el nitrógeno y el hidrógeno que no han sufrido reacciones químicas, y separar el amoníaco reaccionado mediante condensación. De esta forma, se repite el proceso para aumentar el rendimiento de amoníaco sintético y fabricarlo. el proceso práctico. Se puede decir que la introducción de este concepto es un avance decisivo en el proceso de síntesis de amoníaco que avanza hacia la industrialización. El gobierno alemán le dio gran importancia e inmediatamente aceptó y adoptó esta nueva idea.
El 2 de julio de ese año, Harper construyó un pequeño modelo de un dispositivo de síntesis de amoníaco en el laboratorio. Este fue el primer modelo del mundo de un dispositivo de síntesis de amoníaco. Bosch, junto con su subordinado Mitahi, vino a recibir la tecnología experimental y el equipamiento de Haber como representante de la empresa Baden Aniline Soda Ash Company. Harper demostró su dispositivo de síntesis de amoníaco en el lugar, que sintetizó mágicamente amoníaco a una velocidad de 0,08 kilogramos por hora. Bosch vio con sus propios ojos cómo goteaba amoníaco líquido. Los expertos que asistieron coincidieron en que no tardaría en convertirse en un aparato capaz de producir varias toneladas diarias, previendo así claramente sus perspectivas de industrialización.
La empresa Baden Aniline Soda Ash compró inmediatamente la patente de Haber para la síntesis de amoníaco y recibió todos los resultados de su investigación. Las dos partes también firmaron un acuerdo. El punto principal es: No importa cómo se mejore el proceso de producción. Síntesis de amoníaco ¿Cómo cae el precio de venta? Por cada tonelada de amoníaco vendida por la empresa Baden Aniline Soda Ash, Haber comparte 10 marcos y sus ingresos no varían.
En 1919, la Academia Sueca de Ciencias consideró que el amoníaco sintético inventado por Haber había desempeñado un papel muy importante en la economía. Después de una cuidadosa consideración, decidió otorgar oficialmente a Haber el más alto honor y premio en ciencia. el mundo en 1918— —Premio Nobel de Química en reconocimiento a sus destacadas contribuciones a la investigación de la síntesis de amoníaco. Desde entonces, se ha convertido en uno de los químicos más famosos del mundo.