Il processo Haber, noto anche in alcuni luoghi come processo Haber-Borsch, è un metodo scientifico attraverso il quale si crea ammoniaca da azoto e idrogeno. Il ferro funge da catalizzatore e il successo del processo dipende in gran parte dalla temperatura e dalla pressione ideali; il più delle volte, è condotto in una camera chiusa dove le condizioni possono essere strettamente controllate. Il processo è molto importante per un certo numero di industrie diverse e ha risparmiato innumerevoli ore per i produttori che altrimenti avrebbero dovuto creare ammoniaca con altri mezzi, di solito molto più laboriosi. È un po’ complicato da eseguire ma, se fatto correttamente, generalmente ottiene risultati molto affidabili.
Come è stato sviluppato il processo
Questo processo è stato sviluppato dal chimico tedesco Fritz Haber nel 1909, ed è stato successivamente ampliato su scala industriale da un altro tedesco, Carl Bosch. Entrambi gli uomini ricevettero il Premio Nobel nel 1918 per aver superato le barriere tecniche legate all’uso della tecnologia ad alta pressione su scala industriale. Prima che il metodo fosse sviluppato, l’ammoniaca era relativamente difficile da estrarre e, di conseguenza, tendeva ad essere piuttosto costosa. Trovare un modo per sintetizzarlo più rapidamente lo ha reso più disponibile e meno costoso. Il processo ha anche aperto la strada a esperimenti in ambienti più controllati e riduzioni chimiche.
Come Funziona
Nella maggior parte dei casi, sono necessari tre elementi essenziali per la creazione di ammoniaca: idrogeno, azoto e una sorta di catalizzatore. Sebbene l’osmio e l’uranio siano stati inizialmente utilizzati come catalizzatori, in seguito sono stati sostituiti dal ferro, poiché è un’alternativa molto più economica e tende a funzionare altrettanto bene. Anche un ambiente controllato è molto importante. In generale, l’ammoniaca viene sintetizzata combinando un volume di azoto con tre volumi di idrogeno in presenza di ferro poroso come catalizzatore. Il processo Haber effettua questa reazione ad una temperatura ottimale di 1022°F (550°C) e ad una pressione da 2175 a 3626 psi (da 15 a 25 MPa), rispettivamente.
L’idrogeno per la reazione si ottiene generalmente facendo reagire metano o gas naturale con vapore in presenza di ossido di nichel come catalizzatore. L’elemento viene quindi fatto passare su letti di ossido di ferro, insieme al gas azoto dall’atmosfera. Poiché la reazione è molto lenta a temperatura ambiente, la temperatura viene aumentata per accelerare il processo. Questa reazione è esotermica, il che significa che rilascia calore, quindi un aumento della temperatura non farà altro che favorire la reazione inversa e tenderà a portare ad un’ulteriore riduzione del prodotto.
Ciò è in accordo con il principio di Le Chatlier, che afferma che qualsiasi cambiamento di concentrazione, temperatura, volume o pressione parziale a un sistema in equilibrio causerà uno spostamento dell’equilibrio per contrastare il cambiamento imposto. In termini più semplici, se la temperatura della reazione viene aumentata per accelerare la produzione di ammoniaca, si avrà un’ulteriore scomposizione dell’ammoniaca prodotta in azoto e idrogeno. Poiché il catalizzatore può funzionare efficacemente solo intorno a 752°F (400°C), la temperatura deve essere mantenuta tra 752° e 1022°F (300° e 550°C).
Importanza della pressione
Il processo Haber tende a funzionare in modo più efficiente in ambienti con pressioni molto elevate. Ciò aumenta la formazione di ammoniaca e migliora i tassi di ritenzione del prodotto finale. Anche in condizioni ideali, però, in ogni passaggio si ottiene solo il 15% circa di ammoniaca. Riciclando ripetutamente il gas non reagito è possibile ottenere un recupero di quasi il 98%. Mantenere quel prodotto non reagito disponibile per il riciclaggio, tuttavia, è dove le cose possono diventare complicate. Al di fuori di un ambiente altamente pressurizzato, è quasi impossibile.
Perchè importa
Moltissime industrie e progetti di produzione hanno tratto grande beneficio dall’efficienza e dall’efficacia di questo processo. L’ammoniaca è molto importante per una serie di cose diverse: è comune in casa come prodotto per la pulizia, ma è anche essenziale per la produzione di fertilizzanti contenenti azoto e la maggior parte delle munizioni. Il processo viene utilizzato nella produzione di quasi 100 milioni di tonnellate di fertilizzante ogni anno ed è anche di vitale importanza per la maggior parte delle forze armate e degli appaltatori della difesa in tutto il mondo.