Если рассматривать существование человечества, то главной его задачей всегда было выживание,которое было связано с биологической способностью человека к продолжению рода, а,следовательно, к непрерывному увеличению количества людей. Рост народонаселения всегда связан и в какой–то степени ограничен многими причинами, одними из которых были различные войны, эпидемии и голод. Последнее, а именно возможная нехватка количества производимой еды, в начале 19–го века (если быть более точным то в 1798 году) привело к появлению работы английского священника и учёного (как не парадоксально это звучит) Томаса Мальтуса, в которой он высказывает мысль о том, что народонаселение растет гораздо быстрее, чем производство продуктов питания, т.е. скоро на всех еды не хватит. Это доктрина нынче носит название Мальтузианская ловушка. Если в 1800 году население Земли составляет 1 млрд. человек, то к 1900–му году оно уже 1 млрд. 650 млн. и продолжает расти в геометрической процессии. Уже в 19–м век стало понятно, что такую ораву народа прокормить сельское хозяйство не может. Следовательно надо повышать урожайность. Как это сделать уже знали с древних времён.
«Мальтузианская ловушка»
Чуть ли не в каменном веке, люди заметили, что если никак не удобрять землю, то урожайность из года в год будет падать, т.е. земля истощается. Но если удобрить, например навозом, то урожай будет больше и лучше. Кроме этого некоторые растения, в частности бобовые, способны повышать плодородие почвы. С чем это связано? Дело в том, что без такого элемента, как азот рост растений невозможен. Понятно, что это не единственный необходимый элемент, но рост растений истощает землю, в том числе и азот, восстановление которого в земле не такой простой процесс. Кроме этого азот фиксируется растениями не в виде газа N2, а в виде его соединений: солей азотной кислоты или ионов аммония. Тут важный момент, что растения не могут получить несвязанный азот из воздуха, в котором его около 80%, т.к. молекула N2 очень устойчива и достаточно инертна. Эта проблема получила название «проблемы связанного азота». Её решение возможно двумя путями: природная фиксация азота (грозами, почвенными бактериями, как в случае ряда бобовых), которая перестала восполнять потери азота, или искусственное удобрение почвы соединениями азота. Решением проблемы стало использование природных залежей азотсодержащих минералов – селитр. Однако количество её нужно было огромное – миллионы тонн.
Пустыня Атакама
Пробуривается скважина шириной около фута до лежащего ниже мягкого грунта. Затем в эту скважину спускают маленького мальчика. Он делает углубление в мягком грунте чуть ниже слоя селитры, заполняет его порохом и вставляет в него фитиль, выходящий на поверхность. Мальчика извлекают из скважины и поджигают фитиль. Раздается оглушительный взрыв, в воздух поднимается облако желтого дыма и пыли, а земля на значительном расстоянии вокруг оказывается разбитой на куски. После этого, используя кирки и ломы, рабочие выдалбливают содержащую селитру породу
В Чили есть пустыня Атакама, в которой никогда не бывает дождей. Расположена она в предгорьях Кордильер на высоте около 1000 м над уровнем моря. В результате тысячелетних процессов разложения растительных и животных органических остатков (в основном птичьего помета – гуано) в Атакаме образовались уникальные залежи селитры, получившей название чилийской. С 1830 года началась разработка залежей чилийской селитры – богатейшего природного источника азота. Они расположены в 40–50 км от берега океана. Когда эти залежи начали разрабатывать,они тянулись полосой длиной около 200 км и шириной 3 км при толщине пласта от 30 см до 3 м. В котловинах пласты значительно утолщались и напоминали высохшие озера. Чилийская селитра – это нитрат натрия с примесями сульфата и хлорида натрия, глины и песка. В начале вырабатывали 1000 тонн в год, к 1887 году добываемое количество выросло до 500 тысячи тонн в год, а в начале ХХ века исчислялся уже миллионами тонн. Запасы начали истощаться и заговорили об азотном голоде.
Вот тут на сцену и выходят химики. Проблему связанного азота пытались решить множество людей. Азот фиксировать уже могли, но количества,выходы соединений и затраты на производства не могли позволить получать его в приемлемых количествах. Но тут появился метод, который всё перевернул – синтез аммиака.Аммиак уже больше ста лет могли синтезировать, но из азота воздуха и водорода первым это сделал француз Ле Шателье (патент 1901 года). При этом он применил высокое давление и катализаторы – губчатую платину и железо:
Фриц Габер
В 1905—07 годах Нернст синтезировал аммиак из азота и водорода при высоких температурах и давлении с применением марганца как катализатора. Но наладить синтез аммиака из водорода и азота в промышленных масштабах удалось в Германии химику Фрицу Габеру. В технологии производства NH3 впервые был применен принцип замкнутого цикла с непрерывно действующей аппаратурой и утилизацией энергии. В марте 1909 года Габер впервые получил аммиак при 600°С и давлении 17,5 МПа, используя в качестве катализатора порошкообразный осмий. Результаты ученый передал в фирму BASF, которая построила в 1913 году первый завод по синтезу аммиака. Аппаратуру для него разработал коллега и друг Габера Карл Бош. Сейчас это называется процесс Габера–Боша. Проблема связанного азота в промышленных масштабах была решена, за что в 1918 году Габер он был удостоен Нобелевской премии по химии. А Бош в 1931 году – за развитие методов химического синтеза при высоких давлениях.
Карл Бош
P. S. В 2007 году Герхард Эртль получил нобелевскую премию по химии за... синтез аммиака из простых веществ:
N2 + 3H2 = 2NH3.
Премия дана за исследования химических процессов на твёрдых поверхностях, в частности, он установил детальный механизм реакции синтеза аммиака.
P. P. S. Фриц Габер не такая однозначная фигура. Он лично руководил разработкой химического оружия и сам контролировал первое удачное применение хлора во время газовой атаки на реке Ипр. После этого его жена, кстати, тоже химик, застрелилась. Тут есть фильм о нём.
Journal information