Reakcja chemiczna karmiąca świat - Daniel D. Dulek

Zobacz pełną lekcję: http://ed.ted.com/lessons/the-chemical-reaction-that-feeds-the-world-daniel-d-dulek

Jak udaje nam się tak szybko hodować rośliny uprawne, by wyżywiać miliardy ludzi na Ziemi? Dzieje się to dzięki procesowi Habera, w którym azot z powietrza przemienia się w amoniak, a ten łatwo przekształca się w glebie do azotanów potrzebnych roślinom do życia. Mimo iż światowe zasoby jedzenia mocno się zwiększyły, proces Habera niesie ze sobą nieprzewidziane szkodliwe konsekwencji dla środowiska. Daniel D. Dulek zagłębia się w chemię i jej konsekwencje.

Lekcja dzięki: Daniel D. Dulek, animacja dzięki: Uphill Downhill.

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.