В корзине 0 товаров

на сумму 0

Синтез Аммиака

Это первая статья из цикла «Химия для жизни», в которой мы будем касаться интересного в мире химии в глобальном масштабе. Сегодня она будет посвящена без преувеличения одному из самых важных процессов, без которого не была бы возможна жизнь нашей цивилизации в современном виде.

Если мы спросим химиков, что является той черепахой, на которой стоят слоны, держащие современную цивилизацию, получим огромное разнообразие ответов. Кто-то скажет, что нефть – без нефти не поедет ни одна машина, не полетит ни один самолёт, и вообще в ней очень много «вкусняшек», от асфальта до хемосинтеза полимеров. Кто-то, что газ- без газа мы, во всяком случае россияне, которым досталась не самая мягкая в плане климата часть планеты, банально замёрзнем. Да и как сырьё для химсинтеза газ сбрасывать со счетов не стоит. Третьи ответят – уголь; без прохождения стадии парового двигателя, паровозов и пароходов, цивилизация не имела бы ни шанса достичь современных высот. Да и металлургия – наше всё, а без качественного кокса, железа на всё возрастающие потребности человечества взять негде – без него так будешь ездить на лошадях, ходить в рубище и топить кизяками, ибо весь лес уйдёт на древесный уголь для деревенских кузниц.

Всё это так, и энергетика – основа всего. Однако энергетика не является драйвером технического развития, она лишь его обслуживает. То есть, вначале появляется потребность в чём-либо, и только после энергетика подтягивается до заданного драйвером уровня, обеспечивая эту потребность в массовых масштабах. Грубо говоря, без изобретения паровоза, лежащий на поверхности качественнейший антрацит ничего не стоит, и только с изобретением оного начнётся его разработка, переходящая в угольную лихорадку.

Так вот, драйвером, задавшим в своё время вектор развития нашей цивилизации и обеспечившим её современный уровень, является… Аммиак. Да-да, этот простой газ, NH3, гидрид азота, он же нитрид водорода. Лёгкий, прозрачный и… Скажем так, не совсем приятный, если его нюхать в малых количествах. В больших же способный пробить любой насморк и обжечь дыхательные пути. А в очень больших… Но не будем о грустном, почти любая химия это или вредно, или опасно.

А вот полезность аммиака переоценить сложно.

Представьте себе… Галеон или фрегат прошлого. Выстрел из всех пушек бортом, и пелена дыма, повисшая над кораблём, которую постепенно отгоняет морской ветер. Может быть, тогдашние учёные и придумали бы более скорострельные пушки, или орудия, бьющие на бОльшую дистанцию, но какой смысл, если ты всё равно не сможешь точно прицелиться из-за дыма, и так и будешь вынужден стрелять в пустоту, наугад, всем бортом – авось чей-то снаряд, до супостата да долетит. Или ряды, шеренги вышагивающих по полю боя разодетых во все цвета радуги мушкетёров и гренадёров времён Наполеона и Екатерины, стреляющих так же неприцельно, наудачу? Первая шеренга – с колена, вторая – с плеча первой… Ну и так далее. Скорострельные винтовки? Не, не слышали. Зачем, куда потом деваться от дыма, который больше будет мешать тебе, чем противнику?

И спустя совсем небольшой промежуток времени…Бегущие, пригнувшись к земле, от окопа к окопу, солдаты в безликих, земляного цвета, одеждах, спасающихся от рокочущих над полем боя страшных орудий, придуманных не иначе, как самим Сатаной – пулемётов. А в море – крейсера и эскадренные броненосцы, с километрового расстояния расстреливающие противника тяжёлыми снарядами, одно попадание которых способно отправить на дно гражданскую, небронированную посудину.

Всё это – следствие появления бездымного пороха, динамита и прочих взрывчатых веществ, которые стало возможно получать массово только благодаря налаживанию крупнотоннажного процесса синтеза аммиака. Аммиак – бездымный порох – взрывчатые вещества – винтовки и орудия – пулемёты… И вот следом за ними подтягиваются металлурги и инженеры, изобретая новые и новые средства смертоубийства – перед ними просто непаханное поле возможностей! Следом слово берут и другие учёные, вполне мирных специальностей, и вот появляются новые станки и механизмы, ещё более расширяющие поле возможностей для учёных и инженеров. И вот уже по улицам разъезжают автомобили, появляются двигатели внутреннкго сгорания и иные «вундервафли», а в затылок смотрит авиация.

Кроме техники и технического уклада меняется сам мир. Армии стали массовыми, значит, меняется способ их набора. Меняется способ набора – меняется социальный уклад, ибо бесправный рабочий и рабочий-воин – совершенно разные рабочие. А дальше изменения вглубь - мужчины ушли на войну – поднимают голову женщины, их уже не заставишь как раньше сидеть тихо по кухням и готовить ужин, им избирательные права подавай! Равноправие!..

Есть и более зримый, видимый глазами вклад аммиака в жизнь цивилизации. Например, минеральные удобрения. Какова в современном мире урожайность зерновых? 20-40 центнеров с га даже в наших суровых северных краях. А что было бы, если б она была как в старину, сам-два или сам-три? То есть, когда на килограмм посаженных семян получаешь два или три кило продукта? Какое бы количество населения смогло жить на планете тогда? Во-о-о-т. А нас уже более семи миллиардов, и это совсем не предел.

 

Реакция синтеза аммиака, если её написать на бумаге, не так уж сложна:

N2 + 3 H2 = 2 NH3

Но если просто смешать азот и водород – ничего не произойдёт. Ну, не интересны они друг другу! Чай, не на «Давай поженимся».

Хорошо, давайте ёмкость с газами подогреем. Будем греть-греть, греть-греть… Доргреем градусов до пятисот… И снова ничего. Чуть больше, чем ничего, но меньше, чем нам бы хотелось. Почему?

Потому, что у прямой реакции синтеза очень высокая энергия активации. То есть молекулы азота и водорода слишком инертны, и чтобы вступить во взаимодействие, должны обладать ну уж очень большой энергией, то есть скоростью относительно друг друга.  Как эту энергию снизить? А просто. Внести в систему катализатор. Платину. Ну, или палладий. Ну, или ещё какой редкоземельный элемент – можно опытным путём подобрать. Всего-то.

Хорошо, внесли, энергию активации снизили. И даже что-то получили. Но – мало! Не идёт реакция! Как так? Почему?

А потому. Реакция синтеза ОБРАТИМАЯ. То есть наряду с синтезом, одновременно с ним, в системе идёт и обратная реакция, распада только что получившегося аммиака на составляющие. Как в том анекдоте про чиновника, одна рука даёт, другая забирает. И температуру увеличивать бесполезно, ибо этим увеличишь только скорость обратной реации. Аммиак синтезируется с выделением энергии, и «лишняя» энергия в системе будет мешать выделять новую энергию, то есть будет толкать аммиак распасться и поглотить излишки назад. И катализатор тут не помощник – он уменьшает энергию активации обеих реакций, и прямой, и обратной, одновременно.

Что же делать?

Приглядевшись к уравнению реакции, мы увидим, что идёт она с уменьшением объёма. То есть из четырёх молекул, вступающих в реакцию,  получается две, а количество молекул газов в химии пропорционально их объёму. Значит, можно… Поднять давление, и оно будет «давить» на молекулы водорода и азота, заставляя их реагировать друг с другом. Как мамаша в детстве, заставляющая мириться деток: «А ну-ка возьмитесь за руки – мирись-мирись и больше не дерись!..» Сказано – сделано, увеличим. И получим эффект… Атмосферах при трёхстах. А лучше – при трёхстах двадцати. Некисло, да? Но главное, что оный будет, сколько бы это ни стоило, не забываем, на кону благо цивилизации, а оно бесценно. Пояса затянем, но сделаем.

…Но всё равно, несмотря на все ухищрения, реакция осталась обратимой, то есть до конца идти не хочет. Даже в таких адских условиях на платиновом катализаторе прореагировало максимум восемнадцать процентов исходного газа, меньше пятой части! А аммиак нужен, вон, женщины хотят равноправия, в пикет вышли, а мотивировать нечем – аммиака-то ещё нет! Что делать, как спасать бедолаг?

Ничего. Вот совсем-совсем ничего. Раз больше реакция не идёт, значит, надо спасти от распада то, что есть, а то вдруг опять какие проблемы вылезут? То есть, нам надо полученную смесь азота, водорода и аммиака быстро-быстро охладить, чтобы прекратить обратную реакцию (ух, паразитка!), сбросить давление и отделить от системы аммиак. После чего азот и водород вновь нагреть, сжать, пустить на катализатор… И снова быстро охладить, сконденсировав аммиак в холодильнике. Ибо аммиак, к счастью, в отличие от собратьев, при минус двадцати вполне себе жидкий.

Хорошие скачки выходят, неправда ли? Сжать газ до 320 атмосфер, нагреть до 400-500 градусов, запустить на катализатор, тут же охладить, сбросить давление и заморозить до -20. И снова сжать, нагреть… Нет, в эпоху мушкетёров, пожалуй, такие технологии были невозможны. Потому лишь сейчас мы имеем то, что имеем, а времена галеонов и лошадиной тяги... Пусть останутся в наших книгах как эпоха романтики и нереализованных возможностей. И это ещё мы не рассмотрели, а из чего, собственно, получить исходные компоненты для синтеза, то есть чистый водород и азот! А это, поверьте, целое дело, как бы не большее, чем сам процесс синтеза!

 

Современные установки синтеза используют катализаторы на основе железа – они более дёшевы, и хоть платина эффективнее, в итоге продукт получается дешевле. Давление так же держат не более 250 атмосфер – выход аммиака меньше, но себестоимость дешевле, а на дворе у нас наиматёрейший капитализм, деньги рулят.  Впрочем, ко всему этому учёные и технари пришли спустя столетие промышленной эксплуатации установок, и «как оно там лучше» на заре технологии видно не было.

 

Постскриптум. Весь этот технологический ад, описаный выше, вполне себе тихо-мирно-спокойно, не напрягаясь, на клеточном уровне, производят для себя паслёновые, без особых эергетических затрат и огромных производственных комплексов. Возможно человечество когда-нибудь научится у природы, и все эти промышленные монстры станут ненужными… Но пока есть то, что имеем.