La sintesi dell’ammoniaca è la produzione di ammoniaca dalla combinazione di gas idrogeno e azoto. La maggior parte dell’ammoniaca prodotta viene utilizzata come fertilizzante, sebbene possa essere utilizzata per altri scopi, come la produzione di esplosivi. Il processo è stato sviluppato in Germania all’inizio del 1900.
L’atmosfera è piena di azoto, ma non è reattivo e generalmente non si combina con altri elementi. La strategia di base per produrre ammoniaca, NH3, è combinare il gas idrogeno, H2, con il gas azoto, N2, ad alta temperatura e ad alta pressione. Chimicamente, questa è una reazione difficile, quindi richiede un agente per accelerare il processo.
Un catalizzatore è un composto che fa procedere una reazione più rapidamente. Nella sintesi dell’ammoniaca, il catalizzatore utilizzato è generalmente il ferro. Il tipo di ferro utilizzato è il minerale di magnetite ridotta. Esistono altre sostanze chimiche che possono essere utilizzate come catalizzatori, ma il ferro è il più comune.
La fonte del gas idrogeno è solitamente il gas naturale, noto anche come metano, CH4. Questo descrive il processo di base della sintesi dell’ammoniaca. Molte altre fasi avvengono in un impianto di sintesi dell’ammoniaca. I composti di zolfo vengono prima rimossi dal gas naturale reagendo con l’ossido di zinco, che viene trasformato in solfuro di zinco. Questo lascia il metano libero, che passa attraverso molte altre trasformazioni per generare gas idrogeno.
La temperatura utilizzata è di circa 1482° F (400° C). La pressione utilizzata è inferiore a quella ottimale per la reazione. Per motivi di sicurezza viene utilizzata una pressione di circa 200 atmosfere (atm). La resa è di circa il 10-20% in queste condizioni. Quando la miscela lascia il reattore, viene raffreddata, in modo che l’ammoniaca diventi liquida. Il calore viene catturato e riutilizzato per riscaldare i gas in ingresso.
Questo metodo di sintesi dell’ammoniaca è noto come processo Haber, perché è stato creato dal chimico tedesco Fritz Haber, che ha sviluppato le condizioni per la reazione chimica. Lo sviluppò durante una carenza di fertilizzanti contenenti azoto all’inizio del 1900 e perché la Germania aveva bisogno di esplosivi per la prima guerra mondiale. Attualmente, l’ammoniaca viene prodotta su larga scala in tutto il mondo.
Un modo alternativo per produrre l’idrogeno per la reazione è attraverso l’elettrolisi dell’acqua. L’elettrolisi utilizza l’elettricità per abbattere i composti. In questo caso, l’acqua viene scomposta in idrogeno e ossigeno. Questo è stato fatto in concomitanza con la produzione di energia elettrica da centrali idroelettriche. Già nel 1911, l’elettrolisi dell’acqua è stata utilizzata per fornire idrogeno per la sintesi dell’ammoniaca.
Alcuni microrganismi sono in grado di utilizzare il gas azoto dall’aria per produrre ammoniaca. Questo processo è chiamato fissazione dell’azoto. In questo caso i catalizzatori sono enzimi complessi detti nitrogenasi. I batteri che svolgono questo processo vivono sulle radici dei legumi, come le piante di pisello. La fissazione dell’azoto ha notevolmente migliorato lo stato nutritivo di molti suoli.