التفاعل والظروف
التفاعل N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ طارد للحرارة ويخفّض عدد جزيئات الغاز من 4 إلى 2. ووفقًا لمبدأ لوشاتلييه تُفضي درجة الحرارة المنخفضة والضغط المرتفع إلى مردود أعلى، لكن الحرارة المنخفضة تجعل التفاعل بطيئًا جدًا. ولذلك تلجأ المصانع إلى تسوية عند نحو 400–500°C مع عامل حفاز من الحديد مُعزَّز بأكاسيد البوتاسيوم والألومنيوم، وتُعيد تدوير الغاز غير المتفاعل.
دور العامل الحفاز
لا يزيح العامل الحفاز موضع الاتزان، بل يخفض طاقة التنشيط فيُبلَغ الاتزان أسرع. وتُمتَزّ (الامتزاز) جزيئات النيتروجين على سطح الحديد وتتفكك؛ وقد نال غيرهارد إرتل جائزة نوبل في الكيمياء عام 2007 لتوضيحه هذه الآلية السطحية.
التاريخ والأثر
- حقق فريتز هابر التخليق في المختبر عام 1909، وطوّره كارل بوش في شركة BASF إلى النطاق الصناعي عام 1913.
- تشير التقديرات إلى أن الأسمدة النيتروجينية المخلَّقة تُطعم نحو نصف سكان العالم (إريسمان وآخرون، 2008).
- عبر حمض النيتريك زوّدت التقنية نفسها الحرب العالمية الأولى بالمتفجرات، وهو موضوع متكرر في النقاش حول المسؤولية الاجتماعية للعلماء.
القضايا البيئية
لأن الهيدروجين يُستخرج في الغالب من الغاز الطبيعي، فإن إنتاج الأمونيا مستهلك كبير للطاقة ومصدر رئيس لثاني أكسيد الكربون، كما يسبب الإفراط في التسميد تلوث المياه وانبعاثات أكسيد النيتروز. ويجري استكشاف الهيدروجين الأخضر المنتَج بالتحليل الكهربائي.
المراجع
- Smil, V. (2001). Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production. MIT Press.
- Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z., & Winiwarter, W. (2008). How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geoscience, 1, 636-639.
- Ertl, G. (2008). Reactions at surfaces: From atoms to complexity (Nobel Lecture). Angewandte Chemie International Edition, 47(19), 3524-3535.
- Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Physical Chemistry (10th ed.). Oxford University Press.