Five Chemistry Inventions That Enabled The Modern World part:3/6(Ammonia)


Haber–Bosch process:nitrogen fixation

Fritz Haber/ Carl Bosch/nitrogen fertilizer

การผลิตแอมโมเนียโดยการตรึงไนโตรเจนของ Haber–Bosch process 

ธาตุไนโตเจนมีบทบาทสำคัญอย่างมากต่อสารชีวเคมีซึ่งจำเป็นต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่ว่าจะเป็นองค์ประกอบสำคัญของ Chlorophyll ที่พืชใช้ในกระบวนการสังเคราห์ด้วยแสง หรือเป็นองค์ประกอบสำคัญในโครงสร้างของสารพันธุกรรม เช่น DNA, RNA, โปรตีน และอื่นๆ ถึงแม้ว่าธาตุไนโตรเจนจะเป็นธาตุทึ่พบมากที่สุดในอากาศที่เราหายใจถึงร้อยละเกือบแปดสิบเปอร์เซนต์ แต่เพราะก๊าซไนโตรเจนที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศนั้นเป็นก๊าซไนโตรเจนในอยู่ในรูปของ N2 ซึ่งเป็นก๊าซที่มีพันธะเคมีที่เข็งแรงมาก(Triple bond) เกิดปฏิกิริยาได้ยาก ทำให้พืชหรือสัตว์ทั้งหลายนั้นแทบจะไม่สามารถใช้ประโยชน์จากไนโตรเจนที่มีอยู่ในอากาศได้เลย อีกทั้งการเกิดปฏิกิริยากับก๊าซไฮโดรเจนเพื่อนำมาใช้ประโยชน์นั้นก็ทำได้ยากเพราะเป็นปฏิกิริยาเคมีแบบ ย้อนกลับได้(Reversible reaction) ทำให้กระบวนการผลิดในระดับอุตสาหกรรมยิ่งเป็นไปได้ยากขึ้นไปอีก จึงทำให้การทำการเกษตรในสมัยก่อนนั้นถูกจำกัด ไม่เพียงพอต่อความต้องการอาหารของมนุษย์ ซึ่งต่อมาในปี 1910  Fritz Haber และ Carl Bosch นักเคมีชาวเยอรมันได้ค้นพบกระบวนการในการตรึงไนโตรเจนเข้ากับก๊าซไฮโดรเจนกลายเป็นสารประกอบแอมโมเนีย โดยอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาจากโลหะ Ruthenium ภายใต้ความดันและอุณหภูมิสูง ผ่านปฏิกิริยาเคมมี :

N2 + 3 H2 ⇋ 2 NH3   (ΔH = −92.4 kJ·mol−1)

Haber-Bosc Reactor

Haber–Bosc Reaction process/A historical (1921) high-pressure steel reactor for Haber process at the Karlsruhe Institute of Technology, Germany.

ปัจจุบัน80%ของไนโตรเจนที่อยู่ในร่างกายของเรานั้นมาจากกระบวนการของ Haber–Bosch ทั้งสิ้น ดังนั้นกระบวนการง่ายๆทางเคมีอันนี้ทำให้เราสามารถผลิตปุ๋ยพืชทำให้เรามีอาหารที่เพียงพอต่อความต้องการของคน จึงถือได้ว่าการค้นพบนี้เป็นปัจจัยที่สำคัญอย่างมากต่อการเพิ่มของของประชากรช่วงหนึ่งร้อยปีที่ผ่านมา

ถึงแม้ว่าแอมโมเนีย(ไนโตรเจน)จากกระบวนการ Haber process โดยส่วนใหญ่แล้วจะถูกใช้ในอุตสาหกรรมทางการเกษตรแต่ในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง(1914-1918) แอมโมเนียจากกระบวนการนี้เป็นถือเป็นวัตถุดิบหลักในการผลิตระเบิดของเยอรมันนีและพันธมิตรสงครามของเยอรมันอีกด้วย  – Kru Ou๋

The Haber-Bosch process

Nitrogen plays a critical role in the biochemistry of every living thing. It is also the most common gas in our atmosphere. But nitrogen gas doesn’t like reacting with very much, which means that plants and animals can’t extract it from the air. Consequently a major limiting factor in agriculture has been the availability of nitrogen.

In 1910, German chemists Fritz Haber and Carl Bosch changed all this when they combined atmospheric nitrogen and hydrogen into ammonia. This in turn can be used as crop fertiliser, eventually filtering up the food chain to us.

Today about 80% of the nitrogen in our bodies comes from the Haber-Bosch process, making this single chemical reaction probably the most important factor in the population explosion of the past 100 years.

 

reference