Önök szerint mi
az elmúlt néhány évszázad
legfontosabb felfedezése?
A számítógép?
Az autó?
Az elektromosság?
Vagy talán az atom felfedezése?
Az én véleményem szerint egy kémiai reakció:
amikor egy nitrogénmolekula
három hidrogénmolekulával
ammónia-molekulává egyesül.
Ez a Haber-folyamat,
ami a levegő nitrogénmolekuláit
hidrogénmolekulákhoz köti,
vagyis a levegőt műtrágyává alakítja.
E nélkül a reakció nélkül
a mezőgazdaság csak 4 milliárd ember
számára elegendő élelmet tudna termelni;
a Föld jelenlegi lakossága több mint 7 milliárd.
Tehát a Haber-folyamat nélkül
több mint 3 milliárd ember élelem nélkül maradna.
Tudják, a nitrogén, nitrát (NO3) formájában
a növények számára nélkülözhetetlen tápanyag.
A gabona, növekedése közben nitrogént fogyaszt,
amit a talajból vesz fel.
A nitrogén pótolható hosszadalmas,
természetes trágyázási folyamattal,
mint például elhullott állatok maradványaiból,
az emberek viszont ennél sokkal
gyorsabban akarnak élelemhez jutni.
És most értünk el a problémás részhez:
a levegő 78%-ban nitrogénből áll,
de a növények nem képesek egyszerűen onnan felvenni a nitrogént,
mert a molekulák rendkívül erős hármas kötését
nem képesek felhasítani.
Haber végső soron annyit tett,
hogy kitalálta,
hogyan lehet e levegő nitrogénjét
átvinni a földbe.
1908-ban Fritz Haber német vegyész
kidolgozott egy kémiai módszert
a levegő hatalmas nitrogéntartalmának hasznosítására.
Haber talált egy módszert,
mellyel a levegőben lévő nitrogént
hidrogénnel kötötte össze,
és így ammóniához jutott.
Az ammónia aztán már könnyen bevihető a talajba,
ahol gyorsan nitrátokká alakul.
Ha azonban Haber folyamatát
a világ táplálására akarta volna használni,
akkor olyan megoldást kellett volna találnia,
amivel az ammóniát könnyen és gyorsan lehet előállítani.
Hogy megértsük,
hogyan valósította meg ezt Haber,
tisztában kell lennünk
a kémiai egyensúly fogalmával.
Kémiai egyensúly akkor áll elő,
amikor zárt térben zajlik le a reakció.
Tegyünk például
hidrogént és nitrogént egy zárt tartályba,
és hagyjuk őket reakcióba lépni.
A kísérlet elején
sok a nitrogén és a hidrogén,
ezért az ammóniaképződés
nagy sebességgel megy végbe.
Ahogy azonban a hidrogén és a nitrogén reagál
és kezd felhasználódni,
a reakció lelassul,
mert a tartályban egyre kevesebb
a nitrogén és a hidrogén.
Végül eljutunk egy pontra, amikor
az ammóniamolekulák elkezdenek lebomlani,
újra nitrogént és hidrogént képezve.
Egy idő múlva a két reakció,
az ammónia képződése és elbomlása
azonos sebességgel fog zajlani.
Amikor ez a két sebesség megegyezik,
azt mondjuk, hogy a reakció egyensúlyban van.
Ez akár jó is lehetne, de nem akkor,
amikor a célunk
egy tonna ammónia előállítása.
Haber szándéka egyáltalán nem az volt,
hogy az ammónia elbomoljon,
de ha a reakciót egy zárt térben
magára hagyjuk,
pontosan ez fog történni.
Ezen a ponton Henry Le Chatelier
francia vegyész
siet a segítségünkre.
Ő ugyanis arra jött rá,
hogy ha egy egyensúlyban lévő rendszerhez
hozzáadunk valamit,
mondjuk nitrogént,
akkor a rendszer ismét
az egyensúlyi állapotra fog törekedni.
Le Chatelier arra is rájött,
hogy ha növeljük
a rendszerben a nyomást,
akkor a rendszer megpróbálja
visszanyerni az eredeti nyomást.
Olyan ez, mint egy zsúfolt szoba.
Minél nagyobb molekula van jelen,
annál nagyobb a nyomás.
Ha újra megnézzük az egyenletünket,
akkor látjuk, hogy a bal oldalon
négy molekula van,
a jobb oldalon viszont csak kettő.
Ha tehát csökkenteni akarjuk a zsúfoltságot a szobában,
és egyúttal kisebb nyomást akarunk,
a rendszer elkezd
nitrogént és hidrogént egyesíteni,
és ezzel kompaktabb ammónia- molekulákat termelni.
Haber felismerte, hogy
nagy mennyiségű ammónia gyártásához
egy olyan berendezést kell készítenie,
ami képes egy egyensúlyi rendszerbe
folyamatosan nitrogént és hidrogént adagolni,
a nyomás folyamatos növelése mellett.
És pontosan ezt is tette.
Napjainkban az ammónia a legnagyobb mennyiségben
gyártott vegyület a világon.
Ez évente nagyjából 131 millió tonnát,
azaz kb. 140 milliárd kilogramm ammóniát jelent.
Ez hozzávetőlegesen
30 millió, egyenként 5 tonnás
afrikai elefánt tömegének felel meg.
Az ammónia 80%-át a műtrágyaipar dolgozza fel,
míg a maradékot
az ipari és háztartási tisztítószerekben,
valamint más nitrogénvegyületek,
például salétromossav gyártására használják.
A legutóbbi kutatások azt mutatják,
hogy ennek a nitrogénnek több mint a felét
nem hasznosítják a növények.
Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy a nitrogén
egy illékony anyagnak bizonyult,
ami a Föld vizeibe és légkörébe kerülve,
súlyosan károsítja környezetünket.
Haber természetesen nem látta előre ezt a problémát,
amikor közzé tette felfedezését.
Úttörő munkásságát tovább folytatva,
napjaink tudósai most
a 21. század Haber-folyamatán dolgoznak,
ami ugyanakkora hasznot hajt,
csak kevesebb káros következmény árán.