Jakie odkrycie uważacie za najważniejsze
w ciągu ostatnich kilku wieków?
Czy to komputer?
Samochód? Elektryczność?
Czy może odkrycie atomu?
Ja stawiam na tę reakcję chemiczną:
cząsteczka gazowego azotu plus trzy cząsteczki gazowego wodoru
dają razem dwie cząsteczki gazowego amoniaku.
To proces Habera,
w którym cząsteczki azotu z powietrza wiążą się z cząsteczkami wodoru,
czyli jest to zamiana powietrza w nawóz.
Bez tej reakcji
rolnicy mogliby wyprodukować jedzenie tylko dla 4 miliardów ludzi.
Obecnie nasza populacja liczy trochę ponad 7 miliardów ludzi.
Bez procesu Habera ponad 3 miliardy nie miałyby co jeść.
Azot w formie azotanu, NO3,
to podstawowy składnik odżywczy pozwalający roślinom żyć.
Gdy rośliny rosną, zużywają azotany, pobierając je z gleby.
Azot może być uzupełniony w długich, naturalnych procesach rozkładu,
na przykład rozkładu zwierząt.
Jednak ludzie chcą uprawiać rośliny znacznie szybciej.
Najbardziej frustrujące jest to,
że 78% powietrza stanowi azot,
jednak rośliny nie mogą pobrać azotu z powietrza,
bo zawiera bardzo silne wiązania potrójne,
których roślina nie umie zerwać.
Haber wynalazł sposób na pobieranie azotu z powietrza
i umieszczanie go w glebie.
W 1908 roku niemiecki chemik Fritz Haber opracował chemiczną metodę
wykorzystywania ogromnych zapasów azotu z powietrza.
Haber odkrył metodę, w której azot z powietrza
łączy się z wodorem i tworzy amoniak.
Amoniak może być wstrzyknięty do gleby,
gdzie szybko przemienia się w azotany.
Jednak żeby proces Habera służył do wykarmienia świata,
musiał dawać dużą ilość amoniaku w szybki i łatwy sposób.
Żeby zrozumieć, jak Haber tego dokonał,
musimy wiedzieć, czym jest równowaga chemiczna.
Uzyskuje się ją wtedy, gdy reakcja zachodzi w zamkniętym pojemniku.
Na przykład w zamkniętym pojemniku umieszczasz wodór i azot
i pozwalasz im reagować ze sobą.
Na początku eksperymentu mamy duże ilości azotu i wodoru,
więc tworzenie się amoniaku przebiega bardzo szybko.
Jednak reagując ze sobą, wodór i azot ulegają zużyciu.
Powoduje to spowolnienie reakcji,
ponieważ w pojemniku jest coraz mniej azotu i wodoru.
Ostatecznie cząsteczki amoniaku osiągną stan,
w którym zaczną się rozkładać z powrotem do azotu i wodoru.
Po pewnej chwili obie reakcje,
tworzenia i rozkładania amoniaku,
osiągną taką samą prędkość.
Gdy prędkości są równe mówimy, że reakcja osiągnęła stan równowagi.
Może i brzmi to dobrze, ale to zła wiadomość,
jeśli chce się uzyskać tony amoniaku.
Haber wcale nie chciał, by amoniak ulegał rozkładowi.
Jednak gdy pozostawi się reakcję w zamkniętym pojemniku,
właśnie to się dzieje.
Wtedy Henry Le Chatelier, francuski chemik, przyszedł z pomocą.
Odkrył, że jeśli doda się czegoś do układu w stanie równowagi,
na przykład azotu, układ będzie się starał przywrócić stan równowagi.
Le Chatelier odkrył również,
że jeśli zwiększy się ciśnienie działające na układ,
układ będzie dążył do przywrócenia wcześniejszego ciśnienia.
Jak w zatłoczonym pomieszczeniu.
Im więcej cząsteczek, tym większe ciśnienie.
Patrząc na równanie widać,
że po lewej stronie są cztery cząsteczki, a po prawej tylko dwie.
Jeśli chcemy mieć mniej zatłoczony pokój,
czyli mniejsze ciśnienie,
układ zacznie łączyć azot i wodór,
by utworzyć bardziej kompaktowe cząsteczki amoniaku.
Haber zrozumiał, że do uzyskania dużych ilości amoniaku
potrzebne mu urządzenie,
które będzie w sposób ciągły dodawać azot i wodór,
zwiększając jednocześnie ciśnienie w stanie równowagi.
Właśnie takie urządzenie zbudował.
Obecnie amoniak jest najczęściej produkowanym
związkiem chemicznym na świecie.
Każdego roku powstaje około 131 milionów ton,
czyli około 290 miliardów funtów amoniaku.
W przybliżeniu to masa 30 milionów słoni afrykańskich,
z których każdy waży średnio 4,5 tony.
80% tego amoniaku stosuje się do produkcji nawozów,
resztę w przemysłowych i domowych środkach czystości
oraz innych związkach azotu, takich jak kwas azotowy.
Ostatnie badania wykazały, że połowa azotu z takich nawozów
nie jest asymilowana przez rośliny.
W konsekwencji zaczęto znajdować azot
w postaci niestabilnych związków chemicznych
w wodnych zasobach Ziemi i atmosferze,
co poważnie szkodzi naszemu środowisku.
Haber nie przewidział tego problemu, gdy przedstawiał swoje odkrycie.
Kontynuując jego pionierską wizję,
naukowcy poszukują obecnie nowej odmiany procesu Habera na miarę XXI wieku,
która da taki sam poziom pomocy bez niebezpiecznych konsekwencji.