Валерий Чолаков
Нобеловите награди (40) (Учени и открития (1901–1982))

Индустриална химия

Успехите на теоретичната химия стимулираха извънредно много развитието на технологията и способствуваха за възникването на могъщата съвременна химическа индустрия. Особено ценни се оказаха изследванията върху закономерностите на химичните реакции и най-вече термодинамичните работи на Валтер Нернст. В първото десетилетие на нашия век трудовете на този теоретик помогнаха на Фриц Хабер да осъществи химичното свързване на атмосферния азот.

Причина за търсенето на азотни съединения бе бързото развитие на земеделието. След като в средата на миналия век Юстус фон Либих създаде агрохимията и показа, че растенията имат нужда от определени елементи, започна производството на минерални торове. Тяхната най-важна съставка са нитратите — съединенията на азота. Почти цялото количество от тези вещества се добиваше в пустинята Атакама в Чили. Но запасите от чилска селитра бяха ограничени и това беше голяма спънка за развитието на земеделието. Трябваше да се намери някакъв друг източник на азот, който да замести селитрата.

С този въпрос се зае проф. Фриц Хабер от Карлсруе. В 1904 г. той започна експерименти за получаване на амоняк — изходната база за синтез на азотна киселина и нитрати. Хабер пропускаше електрически искри през смес от азот и водород. Процесът се оказа неефективен. Неуспешни излязоха и опитите да се използва електрическа дъга и загряване до 1000 градуса. Немският химик сметна, че работата е безперспективна, и се отказа от нея.

В 1906 г. Валтер Нернст публикува свои теоретични изследвания върху термодинамиката, в които за илюстрация бе разгледал химичното равновесие при съединяването на азота и водорода в амоняк. Запознавайки се с тази работа, Фриц Хабер отново се ентусиазира и реши да я провери експериментално. Той бе опитал вече действието на високата температура, а сега реши да види какво ще стане, ако добави и високо налягане.

При синтезата на амоняка от две молекули — азотна и водородна, се образува една. Според законите на химията повишеното налягане ще благоприятствува изместването на равновесието към крайния продукт. И наистина при 500 градуса и 200 атмосфери Хабер успя да получи амоняк от директното свързване на атмосферния азот с водорода. Скоро след това откритие бе създадена и подходяща технология и започна промишлен синтез на амоняка. Това значително понижи цената на азотните торове. За съжаление нитратите имат и друго приложение — при производството на взривни вещества. Въпреки това Нобеловият комитет по химия счете, че мирното приложение на откритието на Фриц Хабер заслужава достойна оценка, и му даде наградата за 1918 г.

Масовото производство на амоняк започна в навечерието на Първата световна война. Неговите основи бяха заложени от двама университетски професори, но практическата реализация бе осъществена от Карл Бош, химик-технолог от предприятието „Бадише анилин унд сода фабрик“ (BASF). Неговата работа е пример за съчетаване на науката с инженерната практика.

Пристъпвайки към проблема, Бош най-напред реши въпроса с получаването в достатъчни количества и на ниска цена на изходните суровини — азот и водород, а след това мина по-нататък. В своите опити Хабер използваше като катализатор осмий — един рядък и скъп метал. След упорити изследвания Карл Бош откри катализатори, състоящи се от железен и алуминиев окис — все евтини и широко достъпни вещества. След като и този проблем отпадна, той се насочи най-после към конструкторския въпрос за изработването на самата инсталация.

При висока температура водородът става агресивен и се свързва със стоманата. Това, в съчетание с високото налягане, води до бързото разрушаване на цялата апаратура. Първите инсталации работеха не повече от няколко часа и се монтираха по-далеч от местата, където има хора. След многобройни експерименти Бош стигна до оригиналната идея да раздели функциите на стоманената стена. Той създаде двустенен апарат, съставен от две тръби. Външната — от обикновена стомана, трябва да устоява само на налягането при относително ниска температура. Вътрешната, при много висока температура, не е подложена на никакво налягане и легираната сплав, от която е направена, издържа дълго време. По този начин най-после бе създаден конвертор за непрекъснат синтез на амоняк с висока ефективност.

Разработвайки метода за получаване на чист водород от т.нар. воден газ — смес от въглероден окис и вода, Карл Бош се сблъска с проблема за очистването на водорода от въглеродния окис. В хода на работата той откри, че при висока температура и налягане тези две вещества се свързват в метилов алкохол. Така възникна технологията за получаването на една от основните суровини на съвременната органична химия. Метиловият алкохол, накратко метанол, днес се разглежда като едно от перспективните горива на бъдещето. Впрочем с проблема за горивата в началото на века се занимаваше известният химик Фридрих Бергиус.

Той започна своите експерименти приблизително по времето, когато Хабер стана известен със синтезите си при високо налягане. Използвайки подобни методи, Бергиус предприе различни експерименти. Той се интересуваше от процесите на образуване на въглища, които се извършват в недрата на Земята при огромно налягане и високи температури. В своята частна лаборатория в Хановер Бергиус се стремеше да постигне за кратко време това, за което на природата са били необходими милиони години.

Опитвайки се да превърне целулозата във въглища, Бергиус получи продукти, които поглъщаха водород. Този факт го наведе на идеята да свърже водорода с обикновени въглища. По този начин те биха се превърнали в течност, т.е. в нефт. Целта бе много привлекателна. Въпросът с нефтените запаси стана много актуален през първите десетилетия на века, когато бурно се разви автомобилният транспорт. Индустрията все още се задоволяваше с въглища, но колите искаха течно гориво. Прогнозите за нефтените запаси бяха крайно песимистични и се смяташе, че те ще стигнат най-много до 1950 г. В светлината на тези бъдещи трудности Фридрих Бергиус се зае със задачата да спаси човечеството от енергиен глад.

Други изследователи преди него бяха разработили методи за производството на водород от въглища. С помощта на този водород, при висока температура и налягане, Бергиус успя да постигне превръщането на нискокачествени въглища в течни горива. Пълното отработване на технологията бе завършено към 1927 г. Възможностите на малката лаборатория на Бергиус отдавна се бяха изчерпали и той трябваше да потърси помощ от големите фирми.

Техническите достижения на Карл Бош и Фридрих Бергиус в техниката за синтез при високо налягане бяха голяма крачка напред в развитието на индустриалната химия. Производството на азотни торове днес е поставено на широка основа, а с намаляването на петролните запаси наближава времето на изкуствените горива. Още в 1931 г. Нобеловият комитет по химия оцени приносите на двамата изследователи, като ги направи Нобелови лауреати.