Metoda Habera i Boscha

Metoda Habera i Boscha – proces technologiczny syntezy amoniaku z pierwiastków, tj. azotu i wodoru:

N
2
(g) + 3H
2
(g) ⇌ 2NH
3
(g) (ΔH = −92,4 kJ/mol)^[1]

Metoda bezpośredniej syntezy amoniaku z wodoru i azotu została odkryta przez niemieckiego fizykochemika, Fritza Habera. Otrzymał on za to, w 1918 roku, Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Odkrycie umożliwiło wytworzenie amoniaku na skalę przemysłową, przy użyciu katalizatorów i wysokiego ciśnienia, metodą ekonomicznie opłacalną. Metoda została wykorzystana na dużą skalę przez Carla Boscha, chemika przemysłowego, który otrzymał Nagrodę Nobla w 1931 roku, wspólnie z Friedrichem Bergiusem za badania nad reakcjami prowadzonymi w wysokich ciśnieniach. Jednym z dwóch pionierskich zakładów produkujących przemysłowo amoniak tą metodą były Zakłady Azotowe w Chorzowie.

Współcześnie ocenia się, że nawozy azotowe produkowane przy użyciu tej metody odpowiedzialne są za produkcję żywności, która utrzymuje przy życiu ok. jednej trzeciej ludzkości^[2]. Według innej oceny, połowa białek ciała ludzkiego zawiera azot pochodzący z nawozów otrzymanych tą metodą (źródłem reszty jest azot związany przez bakterie)^{[potrzebny przypis]}. Metoda ta jest także szeroko wykorzystywana do produkcji materiałów wybuchowych (azotan amonu).

Proces przebiega w trzech etapach:

1. azot i wodór trafiają do sprężarki, gdzie osiągają ciśnienie kilkuset atmosfer,
2. gazy reagują w konwertorze zawierającym katalizator (metaliczne żelazo z dodatkiem promotorów),
3. gazy wypływające z konwertora są oziębiane do temperatury −50 °C; celem tej operacji jest wykroplenie amoniaku z poreakcyjnej mieszaniny gazów – nieprzereagowany azot i wodór pozostają w tych warunkach w fazie gazowej.

Im niższa jest temperatura i wyższe ciśnienie, tym większa równowagowa zawartość amoniaku w mieszaninie. Obniżanie temperatury powoduje jednak spadek szybkości tworzenia się amoniaku, niezbędne jest zatem znalezienie optymalnej temperatury, przy której uzyskuje się akceptowalną szybkość tworzenia amoniaku oraz wydajność tej reakcji. W praktyce przemysłowej reakcja ta jest przeprowadzana przy ciśnieniu zawierającym się w przedziale od 200 do 400 atmosfer oraz temperatur wahających się pomiędzy 400 a 650 °C.

Katalizatorem tej reakcji jest Fe, które pochodzi z magnetytu. Magnetyt stapia się z promotorami w temperaturze 1600 °C, odlewa, chłodzi i rozdrabnia na granulki (3–8 mm)

Aby zwiększyć skuteczność działania katalizatora dodaje się do niego:

• K
  2O – który zmniejsza wrażliwość na zatrucia związkami siarki, ale zwiększa wrażliwość na zatrucia związkami tlenu
• CaO – zwiększa odporność na przegrzanie oraz wrażliwość na zatrucie związkami siarki i chloru, gdy część CaO zastąpi się MgO wzrasta aktywność
• Al
  2O
  3 – stabilizuje porowatą strukturę, zwiększa powierzchnię i przeciwdziała nadtapianiu się w miejscach aktywnych
• SiO
  2 – stabilizuje porowatą strukturę.