Das Haber-Bosch-Verfahren, das manchmal als wichtigster technologischer Fortschritt des 20. Jahrhunderts bezeichnet wird, ermöglicht die wirtschaftliche Massensynthese von Ammoniak (NH3) aus Stickstoff und Wasserstoff. Es wurde kurz vor dem Ersten Weltkrieg von den deutschen Chemikern Fritz Haber und Carl Bosch entwickelt. Haber erhielt 1918 den Nobelpreis für Chemie für seine Entdeckungen und Bosch teilte sich 1931 den Nobelpreis mit Friedrich Bergius für seine Arbeiten über chemische Hochdruckreaktionen. Zunächst ein deutsches Nationalgeheimnis, verbreiteten sich die Chemie und die Techniken hinter der effektiven Synthese von Ammoniak in den 1920er und 1930er Jahren auf den Rest der Welt.
Hochdruck, hohe Temperaturen
Ammoniak ist wichtig, weil es der Hauptbestandteil von Kunstdüngern ist, ohne die moderne landwirtschaftliche Erträge unmöglich wären. Das Haber-Bosch-Verfahren, das manchmal auch als Haber-Ammoniak-Verfahren bezeichnet wird, war das erste industrielle chemische Verfahren, bei dem extrem hohe Drücke verwendet wurden: 200-400 Atmosphären. Neben hohen Drücken verwendet der Prozess auch hohe Temperaturen von etwa 750°-1,200° Fahrenheit (etwa 400°-650° Celsius). Die Effizienz der Reaktion ist eine Funktion von Druck und Temperatur; höhere Ausbeuten werden bei höheren Drücken und niedrigeren Temperaturen innerhalb des erforderlichen Bereichs erzielt.
Geschichte
Im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts wurde die künstliche Synthese von Nitraten erforscht, weil befürchtet wurde, dass das weltweite Angebot an festem Stickstoff im Verhältnis zur Nachfrage rapide zurückgeht. Stickstoff in seiner inaktiven, atmosphärischen Gasform ist sehr reichlich vorhanden, aber landwirtschaftlich nützliche „fixe“ Stickstoffverbindungen waren damals schwerer zu bekommen. Landwirtschaftliche Betriebe benötigen großzügige Mengen an fixiertem Stickstoff, um gute Erträge zu erzielen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts mussten alle entwickelten Länder der Welt Nitrate aus der größten verfügbaren Quelle – Salpeter (NaNO3) aus Chile – massenhaft importieren, und viele Wissenschaftler machten sich Sorgen über das sinkende Angebot an Stickstoffverbindungen.
Das Haber-Bosch-Verfahren bot eine Lösung für den Mangel an festem Stickstoff. Durch extrem hohe Drücke und einen hauptsächlich aus Eisen bestehenden Katalysator wurden kritische Chemikalien, die sowohl bei der Herstellung von Düngemitteln als auch bei Sprengstoffen verwendet werden, für Deutschland leicht zugänglich gemacht, was es diesem Land ermöglichte, im Ersten Weltkrieg weiterzukämpfen. Als Haber-Bosch-Verfahren im weltweiten Einsatz weit verbreitet, wurde es zum wichtigsten Verfahren zur Herstellung von chemischen Düngemitteln.
Aktuelle Produktion
Mit dem Haber-Bosch-Verfahren wurden Anfang des 21. Jahrhunderts mehr als 500 Millionen Tonnen (453 Milliarden Kilogramm) Kunstdünger pro Jahr hergestellt. Ungefähr 1 Prozent der weltweiten Energie wurde zu ihrer Herstellung verwendet und sie versorgte ungefähr 40 Prozent der Erdbevölkerung.