Het Haber-proces of Haber-Bosch-proces is de primaire industriële methode die wordt gebruikt om ammoniak of fixeer stikstof. Het Haber-proces reageert stikstof en waterstof gas om ammoniak te vormen:
N2 + 3 H2 → 2 NH3 (ΔH = −92,4 kJ · mol−1)
Geschiedenis van het Haber-proces
Fritz Haber, een Duitse chemicus, en Robert Le Rossignol, een Britse chemicus, demonstreerden het eerste ammoniaksyntheseproces in 1909. Ze vormden druppel voor druppel ammoniak uit perslucht. De technologie bestond echter niet om de vereiste druk in dit tafelapparaat uit te breiden tot commerciële productie. Carl Bosch, ingenieur bij BASF, loste de technische problemen op die verband houden met de productie van industriële ammoniak. De Duitse Oppau-fabriek van BASF begon in 1913 met de ammoniakproductie.
Hoe het Haber-Bosch-proces werkt
Habers oorspronkelijke proces maakte ammoniak uit de lucht. Het industriële Haber-Bosch-proces mengt stikstofgas en waterstofgas in een drukvat dat een speciale katalysator bevat om de reactie te versnellen. Vanuit thermodynamisch oogpunt begunstigt de reactie tussen stikstof en waterstof het product bij kamertemperatuur en druk, maar de reactie genereert niet veel ammoniak. De reactie is
exotherm; bij verhoogde temperatuur en atmosferische druk schakelt het evenwicht snel in de andere richting.De katalysator en verhoogde druk zijn de wetenschappelijke magie achter het proces. De oorspronkelijke katalysator van Bosch was osmium, maar BASF besloot al snel op een goedkopere, op ijzer gebaseerde katalysator die nog steeds in gebruik is. Sommige moderne processen maken gebruik van een rutheniumkatalysator, die actiever is dan de ijzerkatalysator.
Hoewel Bosch oorspronkelijk elektrolyseerde water om waterstof te verkrijgen, gebruikt de moderne versie van het proces aardgas om methaan te verkrijgen, dat wordt verwerkt om waterstofgas te krijgen. Naar schatting gaat 3-5 procent van de aardgasproductie in de wereld naar het Haber-proces.
De gassen passeren meerdere keren over het katalysatorbed, aangezien de omzetting in ammoniak slechts ongeveer 15 procent per keer is. Tegen het einde van het proces wordt ongeveer 97 procent omzetting van stikstof en waterstof in ammoniak bereikt.
Het belang van het Haber-proces
Sommige mensen beschouwen het Haber-proces als de belangrijkste uitvinding van de afgelopen 200 jaar! De belangrijkste reden waarom het Haber-proces belangrijk is, is omdat ammoniak wordt gebruikt als plantenmeststof, waardoor boeren voldoende gewassen kunnen telen om een steeds groter wordende wereldbevolking te ondersteunen. Het Haber-proces levert jaarlijks 500 miljoen ton (453 miljard kilogram) op stikstof gebaseerde kunstmest, waarvan wordt geschat dat het voedsel ondersteunt voor een derde van de mensen op aarde.
Er zijn ook negatieve associaties met het Haber-proces. In de Eerste Wereldoorlog werd ammoniak gebruikt om salpeterzuur te produceren om munitie te produceren. Sommigen beweren dat de bevolkingsexplosie, ten goede of ten kwade, niet zou zijn gebeurd zonder het toegenomen voedsel dat beschikbaar was vanwege de kunstmest. Ook heeft de afgifte van stikstofverbindingen een negatieve invloed op het milieu.
Referenties
Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch en the Transformation of World Food Production, Vaclav Smil (2001) ISBN 0-262-19449-X.
US Environmental Protection Agency: Human Alteration of the Global Nitrogen Cycle: Oorzaken en gevolgen door Peter M. Vitousek, voorzitter, John Aber, Robert W. Howarth, Gene E. Likens, Pamela A. Matson, David W. Schindler, William H. Schlesinger en G. David Tilman
Fritz Haber Biografie, Nobel e-Museum, opgehaald op 4 oktober 2013.