Аміак
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Історія цього загальновідомого з’єднання примітна тим, що для його синтезу хімікам довелося мобілізувати весь багаж своїх знань, використовувати мало не всі розділи фізичної хімії, які мали до того чисто теоретичний інтерес, розробити оригінальні способи організації виробництва і сконструювати не бачені досі апарати.
Битва за азот, що закінчилася синтезом аміаку, почалася в середині XIX століття, коли були сформульовані основні принципи сільськогосподарської хімії. Вони говорили, що для живлення рослин потрібен цілий ряд мінеральних речовин, з яких найважливішими є сполуки фосфору, калію і азоту. З’єднання двох перших елементів вдалося знайти у вигляді потужних покладів мінеральних солей, здатних забезпечити сільське господарство на сотні років. А сполук азоту в природі майже немає. Тільки в Південній Америці, в безлюдній і безплідній пустелі Атакама, був знайдений значний шар натрієвої селітри. Володіння цим клаптиком пустелі виявилося настільки вигідним, що в 1879 році між Перу, Болівією і Чилі спалахнула війна. Скінчилася вона тим, що всі поклади перейшли у володіння Чилі. Ця країна і стала монополістом «чилійської селітри».
Обмеженість запасів природних сполук азоту і дальність їх перевезень з Чилі в Європу змусили європейські країни шукати шляхи отримання сполук азоту синтетичним шляхом. Сировини було більш ніж достатньо – над кожним гектаром поверхні землі в повітрі «висить» 80 тисяч тонн атмосферного азоту; це в мільйони разів більше того, що потрібно для успішного ведення сільського господарства.
На перший погляд здавалося, що найбільш простим способом зв’язування азоту в сполуки може бути реакція з киснем. Для цього не потрібно навіть готувати вихідну суміш: з неї складається атмосфера землі. Але процес сполуки азоту з киснем, що успішно протікає при грозових розрядах, вимагає величезної кількості тепла. Це пояснюється тим, що азот – дуже стійка речовина, його атоми міцно з’єднані попарно в молекули і розірвати їх на атоми можна, тільки витративши велику кількість енергії.
Технічно реакцію спалювання азоту вдалося здійснити продуванням повітря через полум’я електричної дуги. Там при температурі понад дві тисячі градусів утворюється в невеликих кількостях окис азоту. Перші заводи, які працювали за дуговим способом, були побудовані у Норвегії – країні водоспадів і дешевої електрики. Тому кінцевий продукт був відомий під назвою «норвезька селітра».
Спочатку норвезька селітра була господинею ринку, але, коли вчені навчилися синтезувати аміак, їй довелося здати позиції. Сполуки азоту стали отримувати більш дешевим способом – з аміаку.
Реакція синтезу аміаку зовні проста: азот взаємодіє з воднем, при цьому виділяється тепло. З одного обсягу азоту і трьох обсягів водню утворюється два об’єми аміаку. Стрілки в рівнянні показують, що одночасно з отриманням аміаку відбувається його розкладання, тобто реакція оборотна. Співвідношення швидкостей прямої і зворотної реакції залежить від умов – температури і тиску. Особливо очевидною була з самого початку позитивна дія тиску; тому ще на початку XIX століття хіміки намагалися створити тиск, зануренням суміші азоту і водню в море на глибину до 500 метрів. Однак цей екзотичний спосіб успіху не приніс.
Теоретичні дослідження, виконані Ле-Шательє і Габером, встановили, в чому тут справа: синтез аміаку може йти тільки при одночасному впливі на суміш азоту з воднем і високому тиску (не нижче 100 атм) і високої температури (500 – 6003). Але і це ще не все. Швидкість утворення аміаку все одно була така мала, що суміш газів доводилося б тримати в нагрітому і стислому стані тижнями.
Багато лабораторій в різних країнах зайнялися пошуками каталізатора для цього процесу, речовини, яка прискорювала б утворення аміаку. Принцип, яким вони керувалися, сформулював німецький хімік Мітташ: «Потрібно спробувати все можливе, а також неможливе». Тому не дуже певним принципом були перепробувані майже всі елементи періодичної системи.
Ле-Шательє успіху не досяг: його установка вибухнула. Професору Габеру пощастило більше: він встановив, що непоганим каталізатором може бути металевий осмій. Правда, осмій – дорогий метал, але це не затьмарило радість Габера. Пошуками більш дешевого каталізатора вчені зайнялися лише тоді, коли черговий вибух знищив установку з усім запасом осмію. Зрештою, вдалося встановити, що активним каталізатором може бути дрібно роздроблене залізо, правда, особливим чином приготоване. Воно повинно містити невеликі домішки оксидів калію і алюмінію.
Лабораторний етап був закінчений. Але, щоб перейти від лабораторних установок до заводу, потрібно було подолати величезні труднощі. Перш за все, треба було з’ясувати причину нескінченних вибухів. Досліди показали, що при високій температурі водень має здатність проникати в метал реактора. При цьому змінюється структура сталі і її міцність значно знижується. Для запобігання вибухів довелося розробляти особливі сталі, що містять легуючі добавки (хрому, молібдену, нікелю, ванадію).
Не встигли хіміки вирішити одну проблему, як перед ними тут же виросла друга. Як використовувати суміш азоту і водню, що не прореагувала? Викинути? Але реакція азоту з воднем дозволяє перетворити в аміак максимум одну десяту частину вихідних газів. Викидати їх не можна: надто складним шляхом отримані азот і водень, занадто дороге і складне їх очищення від домішок, що отруюють каталізатор. Тому після виділення аміаку з гарячої суміші гази, що не прореагували знову відправляють в цикл, додаючи лише невелику кількість свіжої азотно-водневої суміші.
Дуже багато зусиль було витрачено на розробку конструкції промислового апарату. Чимало варіантів було запропоновано і відхилено, перш ніж вчені зупинилися на сучасній колоні синтезу – товстостінній циліндрі з гарматної сталі висотою до 18 метрів і діаметром в 1 метр. Корпус колони виготовлений з цільного злитка легованої сталі. У верхній частині колони розташований каталізатор, внизу – теплообмінник.
Автор: Е. Федоров.