Bạn cho rằng điều gì
là phát minh quan trọng nhất
trong vài thế kỷ qua
Là máy vi tính?
Hay xe hơi?
Hay điện năng?
Hoặc sự phát hiện ra nguyên tử
Tôi có thể cho rằng đó là phản ứng hoá học này
một phân tử nito
phản ứng với ba phân tử hidro
tạo thành hai phân tử amoniac
Đây gọi là quá trình Haber
về sự liên kết của Nitơ trong không khí
với khí hidro
hoặc biền đổi không khí thành phân hoá học.
Không có phản ứng này,
Nông dân không thể sản xuất đủ nông sản
cho 4 tỉ người
trong khi dân số thế giới đến 7 tỉ người
Nếu không có quá trình Haber
hơn 3 tỉ người sẽ thiếu ăn
Nitơ là thành phần của nitrat -NO3
là chất dinh dưỡng thiết yếu cho thực vật
Khi cây cối phát triển, chúng hấp thụ nitơ
có từ đất
nitơ sẽ được bổ sung thêm
qua quá trình bón phân lâu dài trong tự nhiên
như xác động vật phân rã
nhưng con người muốn sản xuất
nhanh hơn nhiều
Có một trở ngại
có đến 78% không khí chứa nguyên tố nitơ
nhưng cây cối không thể chỉ hấp thụ từ đó
vì khí nitơ có liên kết rất bền
mà thực vật không thể phá vỡ
Quá trình Haber cơ bản là
tìm ra cách để
chuyển nitơ từ không khí
vào đất
Năm 1908, nhà hoá học Đức Fritz Haber
phát triển một phương pháp hoá học
tận dụng nguồn nitơ dồi dào từ không khí
Haber tìm ra một cách
lấy nitơ trong không khí
liên kết với hidro
và tạo thành amoniac
amoniac có thể thấm vào đất
rồi chuyển thành nitrat nhanh chóng
Nhưng nếu quá trình Haber được ứng dụng
để cung cấp thực phẩm cho thế giới
Ông sẽ cần tìm cách
để nhanh chóng tạo ra thật nhiều amoniac
Để hiểu được
Haber làm được như thế nào
chúng ta cần biết vài điều về
cân bằng hoá học
Cân bằng hoá học xảy ra
khi bạn cho phản ứng trong một hộp kín
Ví dụ như bạn cho
hidro va nitơ vào một hộp kín
và để phản ứng xảy ra
trong giai đoạn đầu của phản ứng
ta có rất nhiều hidro va nitơ
nên sự tạo thành amoniac
xảy ra rất nhanh
Nhưng, càng phản ứng, hidro va nito
bị sử dụng hết dần
phản ứng sẽ chậm lại
bởi vì có ít nitơ va hidro hơn
trong hộp
Cuối cùng, amoniac đạt tới một giới hạn
lúc đó, amoniac sẽ phân huỷ
tạo ngược lại nitơ va hidro
Sau một lúc, 2 phản ứng thuận nghịch
tạo và phân huỷ amoniac
đạt cùng một tốc độ
Khi 2 tốc độ này bằng nhau
ta nói phản ứng cân bằng
Nghe có vẻ dễ dàng, nhưng không
khi bạn chỉ muốn
tạo ra thật nhiều amoniac
Haber không hề muốn amoniac
bị phân huỷ
nhưng nếu chỉ để phản ứng
bình thường trong hộp
sự phân huỷ sẽ xảy ra
Lúc này Henry Le Chatelier
nhà hoá học Pháp
có thể giúp
Điều mà ông ta tìm ra
là nếu bạn lấy một hệ cân bằng
và thêm vào một yếu tố
ví dụ như nitơ
hệ sẽ tiến về
cân bằng một lần nữa
Le Chatelier cũng tìm ra
nếu bạn tăng
áp suất của hệ cân bằng
hệ sẽ cố gắng tiến về
áp suất đã có (giảm áp suất)
giống như một căn phòng đầy người
càng nhiều phân tử
áp suất càng cao
Nếu ta nhìn lại phương trình
bên vế trái (tham gia)
có 4 phân tử
và chỉ 2 phân tử bên phải
Nên, nều ta muốn "căn phòng" bớt đông
và giảm áp suất
hệ sẽ bắt đầu
kết hợp nito và hidro
để tạo ra nhiều amoniac
Haber nhận thấy để tạo
nhiều amoniac
ông phải chế tạo một cái máy
để liên tục cung cấp nito va hidro
đồng thời tăng áp suất
của hệ cân bằng
là điều ông đã làm
Ngày nay, amoniac là một trong các chất
được sản xuất nhiều nhất trên thế giới
Khoảng 131 triệu tấn khối mỗi năm
tương đương 290 tỉ pounds
Khoảng khối lượng của
30 triệu con voi Châu Phi
10,000 pounds mỗi con
80% lượng amoniac này dùng cho phân bón
trong khi số còn lại
dùng cho công nghiệp và tẩy rửa
và sản xuất các hợp chất của nitơ
như acid nitric
các nghiên cứu gần đây tìm ra
rằng một nửa lượng nito trong phân bón
không được hấp thụ bởi thực vật
Hậu quả là nitơ được tìm thấy
dưới dạng hợp chất hay thay đổi
trong khí quyển và nước
làm huỷ hoại môi trường
Tất nhiên, Haber không nhìn trước được
vấn đề khi công bố phát minh
Theo các nhà khoa học
họ đang tìm
một quá trình Haber mới cho thế kỉ 21
sẽ có cùng hiệu quả
nhưng không gây hậu quả nguy hiểm