Аммиак

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

История этого общеизвестного соединения примечательна тем, что для его синтеза химикам пришлось мобилизовать весь багаж своих знаний, использовать чуть ли не все разделы физической химии, которые имели до того чисто теоретический интерес, разработать оригинальные способы организации производства и сконструировать не виданные дотоле аппараты.

Битва за азот, закончившаяся синтезом аммиака, началась в середине XIX века, когда были сформулированы основные принципы сельскохозяйственной химии. Они гласили, что для питания растений нужен целый ряд минеральных веществ, из которых важнейшими являются соединения фосфора, калия и азота. Соединения двух первых элементов удалось найти в виде мощных залежей минеральных солей, способных обеспечить сельское хозяйство на сотни лет. А соединений азота в природе почти нет. Только в Южной Америке, в безлюдной и бесплодной пустыне Атакама, был найден значительный слой натриевой селитры. Обладание этим клочком пустыни оказалось столь выгодным, что в 1879 году между Перу, Боливией и Чили вспыхнула война. Кончилась она тем, что все залежи перешли во владение Чили. Эта страна и стала монополистом «чилийской селитры».

Ограниченность запасов природных соединений азота и дальность их перевозок из Чили в Европу вынудили европейские страны искать пути получения соединений азота синтетическим путем. Сырья было более чем достаточно — над каждым гектаром поверхности земли в воздухе «висит» 80 тысяч тонн атмосферного азота; это в миллионы раз больше того, что нужно для успешного ведения сельского хозяйства.

На первый взгляд казалось, что наиболее простым способом связывания азота в соединения может быть реакция с кислородом. Для этого не нужно даже готовить исходную смесь: из нее состоит атмосфера земли. Но процесс соединения азота с кислородом, успешно протекающий при грозовых разрядах, требует огромного количества тепла. Это объясняется тем, что азот — очень устойчивое вещество, его атомы прочно соединены попарно в молекулы и разорвать их на атомы можно, только затратив большое количество энергии.

Технически реакцию сжигания азота удалось осуществить продуванием воздуха через пламя электрической дуги. Там при температуре свыше двух тысяч градусов образуется в небольших количествах окись азота. Первые заводы, работавшие по дуговому способу, были построены в Норвегии — стране водопадов и дешевого электричества. Поэтому конечный продукт был известен под названием «норвежская селитра».

Сначала норвежская селитра была хозяйкой рынка, но, когда ученые научились синтезировать аммиак, ей пришлось сдать позиции. Соединения азота стали получать более дешевым способом — из аммиака.

Реакция синтеза аммиака внешне проста: азот взаимодействует с водородом, при этом выделяется тепло. Из одного объема азота и трех объемов водорода образуется два объема аммиака. Стрелки в уравнении показывают, что одновременно с получением аммиака происходит его разложение, то есть реакция обратима. Соотношение скоростей прямой и обратной реакции зависит от условий — температуры и давления. Особенно очевидным было с самого начала положительное действие давления; поэтому еще в начале XIX века химики пытались создать давление, погружая смесь азота и водорода в море на глубину до 500 метров. Однако этот экзотический способ успеха не принес.

Теоретические исследования, выполненные Ле-Шателье и Габером, установили, в чем здесь дело: синтез аммиака может идти только при одновременном воздействии на смесь азота с водородом и высокого давления (не ниже 100 атм) и высокой температуры (500 — 6003). Но и это еще не все. Скорость образования аммиака все равно была так мала, что смесь газов приходилось бы держать в нагретом и сжатом состоянии неделями.

Многие лаборатории в разных странах занялись поисками катализатора для этого процесса, вещества, которое ускоряло бы образование аммиака. Принцип, которым они руководствовались, сформулировал немецкий химик Митташ: «Нужно попробовать все возможное, а также невозможное». Поэтому не слишком определенному принципу были перепробованы почти все элементы периодической системы.

Ле-Шателье успеха не достиг: его установка взорвалась. Профессору Габеру повезло больше: он установил, что неплохим катализатором может быть металлический осмий. Правда, осмий — дорогой металл, но это не омрачило радость Габера. Поисками более дешевого катализатора ученые занялись лишь тогда, когда очередной взрыв погубил установку со всем запасом осмия. В конце концов, удалось установить, что активным катализатором может быть мелкораздробленное железо, правда, особым образом приготовленное. Оно должно содержать небольшие примеси окислов калия и алюминия.

Лабораторный этап был закончен. Но, чтобы перейти от лабораторных установок к заводу, нужно было преодолеть огромные трудности. Прежде всего, предстояло выяснить причину бесконечных взрывов. Опыты показали, что при высокой температуре водород обладает способностью проникать в металл реактора. При этом изменяется структура стали и ее прочность значительно понижается. Для предотвращения взрывов пришлось разрабатывать особые стали, содержащие легирующие добавки (хрома, молибдена, никеля, ванадия).

Не успели химики решить одну проблему, как перед ними тут же выросла вторая. Как использовать не прореагировавшую смесь азота и водорода? Выбросить? Но реакция азота с водородом позволяет превратить в аммиак не больше одной десятой части исходных газов. Выбрасывать их нельзя: слишком сложным путем получены азот и водород, слишком дорога и сложна их очистка от примесей, отравляющих катализатор. Поэтому после выделения аммиака из горячей смеси не прореагировавшие газы вновь отправляют в цикл, добавляя лишь небольшое количество свежей азотно-водородной смеси.

Очень много усилий было потрачено на разработку конструкции промышленного аппарата. Немало вариантов было предложено и отклонено, прежде чем ученые остановились на современной колонне синтеза — толстостенном цилиндре из пушечной стали высотой до 18 метров и диаметром в 1 метр. Корпус колонны изготовлен из цельного слитка легированной стали. В верхней части колонны расположен катализатор, внизу — теплообменник.