Что бы вы назвали
самым важным открытием,
сделанным за последние несколько столетий?
Компьютер?
Автомобиль?
Электричество?
Или, может быть, открытие атома?
Я готов поспорить, что это химическая реакция:
молекула азота
плюс три молекулы водорода
дают две молекулы аммиака.
Это процесс Габера,
процесс связывания молекул азота из воздуха
с молекулами водорода,
или, по-другому, превращение воздуха в удобрение.
Без этой реакции
фермеры смогли бы обеспечить достаточным количеством еды
лишь 4 миллиарда человек.
На текущий момент нас более 7 миллиардов.
Таким образом, без процесса Габера
более 3 миллиардов людей осталось бы без еды.
Как вы видите, азот в виде нитрата, NO3,
является питательным веществом, необходимым для выживания растений.
Различные культуры по мере своего роста потребляют азот,
удаляя его из почвы.
Азот может пополняться
с помощью длительных процессов естественного удобрения,
таких, как разлагающиеся трупы животных.
Но люди хотят выращивать пищу
намного быстрее.
Теперь печальный факт:
в атмосферном воздухе около 78% азота,
но растения не могут просто брать азот из воздуха,
поскольку он содержит очень сильные тройные связи,
которые растения не могут разорвать.
Габер сделал следующее:
он понял, как можно
взять азот из воздуха
и поместить его в землю.
В 1908 году немецкий химик Фриц Габер
разработал химический способ
использования огромных запасов азота из воздуха.
Габер нашёл метод,
который позволял брать азот из воздуха
и связывать его с водородом,
формируя аммиак.
Аммиак затем может быть введён в почву,
где он быстро преобразуется в нитрат.
Но если бы этот процесс собирались применять ради того,
чтобы накормить население всего мира, то Габеру
следовало найти
лёгкий и быстрый способ производства огромного количества аммиака.
Чтобы понять,
как Габер сумел этого достичь,
нам следует знать
кое-что о химическом равновесии.
Химическое равновесие может быть достигнуто,
когда реакция проходит в закрытой таре.
Например, вы помещаете
водород и азот в закрытый контейнер,
где они начинают взаимодействовать.
В самом начале эксперимента
азота и водорода очень много,
и синтез аммиака
протекает с большой скоростью.
Но по мере того, как водород и азот взаимодействуют
и расходуются,
скорость реакции замедляется,
поскольку снижается количество молекул обоих элементов
в контейнере.
В конце концов, молекулы аммиака достигают точки,
в которой они начинают распадаться
обратно на азот и водород.
Спустя некоторое время обе реакции –
синтез и распад аммиака –
достигнут одинаковой скорости.
Когда эти скорости равны,
мы говорим, что реакция достигла равновесия.
Это может хорошо звучать, но не в том случае,
если вы хотите
произвести тонну аммиака.
Габер хотел, чтобы аммиак
вообще не распадался,
но если вы просто дадите реакции протекать
в закрытой таре,
вот что произойдёт.
И здесь Анри Луи Ле Шателье,
французский химик,
пришёл на помощь.
Он обнаружил,
что если взять равновесную систему
и добавить к ней что-то,
скажем, азот,
система будет стремиться
вернуться к состоянию равновесия снова.
Ле Шателье также обнаружил,
что если увеличить
давление на систему,
то она будет пытаться
вернуть давление на прежний уровень.
Это можно сравнить с переполненной комнатой.
Чем больше молекул,
тем выше давление.
Если мы ещё раз посмотрим на наше уравнение,
то увидим, что с левой стороны
есть четыре молекулы,
а справа их только две.
Таким образом, если мы хотим, чтобы в комнате стало свободнее,
и, как следствие этого, давление снизилось,
система должна начать
соединять азот и водород,
синтезируя более компактные молекулы аммиака.
Габер понял, что для того, чтобы производить
аммиак в большом количестве,
ему нужно было создать устройство,
которое бы непрерывно добавляло азот и водород,
одновременно с этим увеличивая давление
на равновесную систему.
Именно это он и сделал.
На сегодняшний день аммиак – важнейший продукт
химической промышленности по всему миру.
Примерно 131 миллион тонн производится каждый год,
что примерно равно 119 миллиардам кг аммиака.
По массе это равносильно
30 миллионам африканских слонов,
каждый из которых весит примерно 4 550 кг.
80% этого аммиака применяется для производства удобрений,
в то время как остальное используется
для производства промышленных
и бытовых моющих средств и других соединений азота,
таких, как азотная кислота.
Последние исследования показали,
что половина азота из этих удобрений
не усваивается растениями.
Вследствие этого азот находится
в виде летучего химического соединения
в водных ресурсах и атмосфере Земли,
нанося серьёзный ущерб нашей окружающей среде.
Конечно, Габер не предвидел данной проблемы,
когда представлял своё открытие.
Следуя за его новаторской концепцией,
современные учёные работают
над созданием нового процесса Габера 21-го века,
который будет приносить такую же пользу
без опасных последствий.