¿Cuál es la contribución de Habai a la tecnología de síntesis de amoníaco?

Volviendo al río Rin desde Port Louis, donde se encuentra BASF, hay un lugar llamado Karlsruhe, donde hay una famosa universidad llamada Karlsruhe Institute of Engineering. Fritz Ha Bai, profesor de química de la universidad, quedó profundamente afectado por la advertencia de Crookes y comenzó a dedicarse a la investigación de la síntesis de amoníaco.

A principios de 1902, con el fin de estudiar la teoría de la síntesis de amoníaco, Habai viajó a Estados Unidos para realizar una investigación científica. Hizo un viaje especial a Niágara para visitar una fábrica que simula descargas naturales de tormentas para producir nitrógeno fijo. A través de su visita, se interesó en el estudio de la fijación de nitrógeno en óxidos de nitrógeno y amoníaco. Después de regresar a Alemania, se sumergió en el laboratorio y comenzó este trabajo de investigación que hizo época.

En 1904, dos empresarios químicos vieneses, los hermanos Margulies, se dieron cuenta de la importancia de este trabajo y acudieron al Instituto de Ingeniería de Karlsruhe para firmar formalmente un contrato con Habai para estudiar la síntesis de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno. elementos. A partir de entonces, Habai y sus alumnos y asistentes se dedicaron a la investigación experimental sobre la síntesis de amoníaco.

Habai estudió la teoría de la síntesis del amoniaco a partir de las condiciones de equilibrio de reacciones reversibles. Habai cree que el conocimiento de los catalizadores por sí solo no es suficiente, sino que también se necesita una nueva comprensión de las reacciones químicas: la teoría del equilibrio químico. El núcleo de esta teoría es que generalmente no todas las materias primas se convierten en sustancias generadas, y las sustancias generadas también sufren reacciones inversas. Bajo ciertas condiciones de reacción, a saber, concentración, temperatura y presión, esta reacción positiva y negativa está equilibrada.

Habai se dio cuenta de que si las condiciones de reacción se ajustaban según esta idea, sería posible la síntesis de amoníaco que antes se consideraba imposible. Habai pensó al principio que tal vez la alta temperatura llevaría a cabo esta reacción. Comenzó a experimentar según sus propias ideas, pero los resultados fueron inesperados. Cuando la temperatura aumenta a 1000°C, la producción de amoníaco es sólo el 0,012% del volumen de materia prima, lo que no es tan bueno como la producción a baja temperatura. Sin embargo, cuando se reduce la temperatura de reacción, la reacción se vuelve muy lenta. Habai cree que para acelerar las reacciones químicas se necesita un catalizador adecuado.

Durante más de un año, desde abril de 1904 hasta julio de 1905, aunque Habai insistió en realizar varios experimentos aburridos en el laboratorio día y noche, casi todos los experimentos fracasaron. Como resultado, los hermanos Margulis cancelaron su apoyo financiero al proyecto cuando vieron que no era rentable. De esta forma, Habai cayó en una situación sumamente embarazosa.

Al mismo tiempo, el profesor Walter Hermann Nernst, que estudiaba la teoría del equilibrio químico en la Universidad de Berlín, también se dedicó a investigar la teoría de la síntesis de amoníaco. Él mismo construyó un autoclave y realizó experimentos a altas temperaturas y presiones. Después del experimento, descubrió que algo andaba mal con los resultados experimentales de Habai. El número es demasiado grande, en realidad es solo del 0,0032% y será un orden de magnitud menor, lo que demuestra que los resultados experimentales de Habai no son factibles.

Para industrializar su investigación, Walter Hermann Nernst encargó a una conocida empresa química que fabricara equipos. Si bien su presión no es demasiado alta, la compañía todavía lucha por producir un dispositivo que pueda soportar ese calor y presión. Así que cometió un gran error al abandonar la idea de la industrialización y sumergirse en la investigación de laboratorio.

Aunque los cálculos de Haber estaban equivocados, en esta disputa con Nernst quedó claro que para aumentar aún más la producción, es necesario aplicar alta presión a los gases de la materia prima: nitrógeno e hidrógeno, bajar la temperatura y utilizar un catalizador.

Nernst estaba desanimado, Habai no. Inició nuevos experimentos donde los había dejado Walter Hermann Nernst. En ese momento, no solo estaba familiarizado con la teoría de este experimento, sino que también tenía las bases para el éxito.

Bajo la guía de la teoría del equilibrio químico, Habai y otros comenzaron a experimentar pacientemente poco a poco, bajo qué presión y temperatura, qué porcentaje del rendimiento se puede lograr. También se esforzaron mucho en encontrar los mejores catalizadores. Han incorporado un recipiente de reacción que puede soportar cientos de presiones atmosféricas en el proyectil del arma y están haciendo todo lo posible para encontrar nuevos catalizadores para platino, tungsteno, uranio y otros metales raros proporcionados por la compañía de lámparas de gas de la sociedad Awuel.

Fue en circunstancias tan difíciles que Habai continuó el experimento bajo alta temperatura y presión. Justo cuando la investigación experimental de Habai fracasó repetidamente, las "Actas de la Academia Francesa de Ciencias" informaron que los químicos franceses utilizaron altas temperaturas y altas presiones para sintetizar amoníaco, lo que provocó la explosión del reactor. Inspirado por esto, Habai cambió decisivamente las condiciones experimentales, especialmente aumentó la presión de reacción y mejoró el proceso. Finalmente se han logrado avances emocionantes, con un aumento significativo en la producción de amoníaco.

En 1907, Habai y otros utilizaron osmio o uranio como catalizador para obtener con éxito un 8,25% de amoníaco en condiciones de presión anormalmente altas de aproximadamente 550 °C y 150 a 250 atmósferas, y produjeron con éxito 0,1 amoníaco por primera vez. Un kilogramo de amoníaco sintético hace posible que la síntesis de amoníaco avance más allá de la etapa de laboratorio. Sin duda, se trata de un avance con valor práctico. En ese momento, Nernst utilizó polvo de platino o polvo de hierro y manganeso como catalizador a 50 atmósferas y 685°C, pero solo el rendimiento de amoníaco fue del 0,96%. El experimento de Haber fue casi ocho veces más eficaz que el de Nernst.

Esta victoria animó mucho a Habai y sus asistentes. Tenían el presentimiento de que la investigación experimental sobre la síntesis de amoníaco había entrado en la etapa práctica, por lo que intensificaron su investigación sobre el proceso de síntesis de amoníaco a alta temperatura y alta presión. Después de una minuciosa investigación experimental, obtuvieron una serie de datos experimentales de primera mano, aceleraron enormemente el ritmo de la investigación experimental y lograron nuevos y emocionantes avances.

Los resultados de la investigación científica de Habai conmocionaron enormemente a la industria química europea, y la gente de la industria química compró su patente para la síntesis de amoníaco. La perspicaz empresa alemana Baden Aniline Soda Company fue la primera en llegar, pagó a Habai una tarifa de reserva de 2.500 dólares estadounidenses y prometió comprar todos los resultados de sus futuras investigaciones. Sin embargo, muchos ingenieros de la empresa estaban preocupados por lo calientes que estaban los recipientes de acero del reactor e incluso se sorprendieron por la alta presión, por lo que se mostraron escépticos ante su industrialización. Recordaron la noticia de la explosión del reactor francés y dijeron con preocupación: "El autoclave que explotó ayer sólo tenía 7 atmósferas de presión". La implicación es que las condiciones experimentales de alta presión de Habai también pueden provocar una explosión.

En 1909, Habai propuso el nuevo concepto de "circulación". La llamada "circulación" significa que el nitrógeno y el hidrógeno que no han experimentado una reacción química se devuelven nuevamente al reactor y el amoníaco reaccionado se separa por condensación, lo que aumenta la producción de amoníaco sintético y hace que el proceso sea práctico. Se puede decir que este concepto es un avance decisivo en el proceso de industrialización de la síntesis de amoníaco. El gobierno alemán se lo tomó muy en serio e inmediatamente aceptó y adoptó esta nueva idea.

El 2 de julio de ese año, Habai fabricó un pequeño modelo de un dispositivo de síntesis de amoníaco en el laboratorio. Este fue el primer modelo del mundo de un dispositivo de síntesis de amoníaco. Bosch y su subordinado Mitasch vinieron a recibir la tecnología experimental y el equipamiento de Haber como representantes de la empresa Baden Aniline Soda. Habai demostró su dispositivo de síntesis de amoníaco en el lugar, sintetizando milagrosamente amoníaco a una velocidad de 0,08 kg por hora. Bosch fue testigo del goteo de amoníaco líquido. Los expertos que asistieron a verlo coincidieron en que no pasará mucho tiempo antes de que se convierta en un aparato con una producción diaria de varias toneladas y sus perspectivas de industrialización pueden preverse claramente.

La empresa Baden Aniline Soda adquirió inmediatamente la patente de Haber para la síntesis de amoniaco y recibió todos los resultados de su investigación. Ambas partes también firmaron un acuerdo. La razón principal es que no importa cómo mejore el proceso de producción o baje el precio del amoníaco sintético, por cada tonelada de amoníaco vendida por la Baden Aniline Soda Company, Habai recibirá 10 marcos y los ingresos nunca cambiarán.

En 1919, la Academia Sueca de Ciencias consideró que la invención del amoníaco sintético por parte de Haber desempeñaba un enorme papel económico y, tras una cuidadosa consideración, decidió conceder oficialmente a Haber el Premio Nobel de Química, que fue el primero en la historia. comunidad científica mundial en 1918. El más alto honor y premio en reconocimiento a sus destacadas contribuciones a la investigación de la síntesis de amoníaco. Desde entonces, se ha convertido en uno de los químicos más importantes del mundo.