Što je Haberov proces?

Haberov proces, ponegdje poznat i kao Haber-Borsch proces, znanstvena je metoda kojom se iz dušika i vodika stvara amonijak. Željezo djeluje kao katalizator, a uspjeh procesa velikim dijelom ovisi o idealnoj temperaturi i tlaku; većinu vremena provodi se u zatvorenoj komori gdje se uvjeti mogu pomno kontrolirati. Proces je vrlo važan za brojne različite industrije i uštedio je nebrojene sate proizvođačima koji bi inače morali stvarati amonijak na druge, obično mnogo zahtjevnije načine. Pomalo je komplicirano za izvođenje, ali, kada se radi ispravno, općenito dobiva vrlo pouzdane rezultate.

Kako je proces razvijen

Ovaj proces razvio je njemački kemičar Fritz Haber 1909. godine, a kasnije ga je proširio na industrijsku skalu drugi Nijemac, Carl Bosch. Obojica su 1918. dobili Nobelovu nagradu za prevladavanje tehničkih barijera povezanih s korištenjem visokotlačne tehnologije u industrijskoj skali. Prije nego što je metoda razvijena, amonijak je bilo relativno teško ekstrahirati i kao rezultat toga bio je prilično skup. Smišljanje načina za bržu sintetizaciju učinilo ga je dostupnijim i jeftinijim. Proces je također otvorio put eksperimentima s kontroliranim okolišem i kemijskim redukcijama.

Kako to radi

U većini slučajeva, tri su bitna elementa potrebna za stvaranje amonijaka: vodik, dušik i neka vrsta katalizatora. Iako su osmij i uran u početku korišteni kao katalizatori, kasnije su zamijenjeni željezom, jer je to mnogo jeftinija alternativa i ima tendenciju da djeluje jednako dobro. Također je važno kontrolirano okruženje. Općenito, amonijak se sintetizira češljanjem jednog volumena dušika s tri volumena vodika u prisutnosti poroznog željeza kao katalizatora. Haberov proces provodi ovu reakciju pod optimalnom temperaturom od 1022°F (550°C) i tlakom od 2175 do 3626 psi (15 do 25 MPa), respektivno.

Vodik za reakciju općenito se dobiva reakcijom metana ili prirodnog plina s parom u prisutnosti nikal oksida kao katalizatora. Element se tada čini da prolazi preko slojeva željeznog oksida, zajedno s plinom dušikom iz atmosfere. Kako je reakcija vrlo spora na sobnoj temperaturi, temperatura se povećava kako bi se proces ubrzao. Ova reakcija je egzotermna, što znači da oslobađa toplinu, pa će povećanje temperature samo pogodovati obrnutoj reakciji i teži daljem smanjenju produkta.

To je u skladu s Le Chatlierovim principom, koji kaže da će svaka promjena koncentracije, temperature, volumena ili parcijalnog tlaka u sustavu u ravnoteži uzrokovati pomak ravnoteže kako bi se suprotstavio nametnutoj promjeni. Jednostavnije rečeno, ako se temperatura reakcije poveća kako bi se ubrzala proizvodnja amonijaka, to će dovesti do daljnjeg razlaganja proizvedenog amonijaka na dušik i vodik. Budući da katalizator može učinkovito funkcionirati samo na oko 752°F (400°C), temperatura se mora održavati između 752° i 1022°F (300° i 550°C).

Važnost pritiska
Haberov proces ima tendenciju da radi najučinkovitije u okruženjima s vrlo visokim tlakom. To povećava stvaranje amonijaka i poboljšava stope zadržavanja konačnog proizvoda. Međutim, čak i pod idealnim uvjetima, u svakom se prolazu dobiva samo oko 15% amonijaka. Ponovljenim recikliranjem neizreagiranog plina moguće je dobiti povrat od gotovo 98%. Održavanje tog nereagiranog proizvoda dostupnim za recikliranje, međutim, stvari mogu postati nezgodne. Izvan okruženja pod visokim pritiskom, to je gotovo nemoguće.
Zašto je to važno
Učinkovitost i djelotvornost ovog procesa imale su velike koristi od velikog broja industrija i proizvodnih projekata. Amonijak je vrlo važan za niz različitih stvari – uobičajen je u kući kao proizvod za čišćenje, ali je također neophodan za proizvodnju gnojiva koja sadrže dušik i većine oblika streljiva. Proces se koristi u proizvodnji gotovo 100 milijuna tona gnojiva svake godine, a također je od vitalne važnosti za većinu vojnih i obrambenih izvođača diljem svijeta.