ما هو الغرض من استخدام الضغط العالي في تحضير جزيء الامونيا بطريقة هابر؟

تقوم هذه العملية على إنتاج الأمونيا بشكل مباشر بواسطة اتحاد الهيدروجين والنيتروجين، وتحتاج العملية إلى ضغط جوي عالٍ يصل إلى (200-400) ضغط جوي، إضافة إلى درجة حرارة عالية أيضًا، تصل إلى (600-1000) درجة مئوية، والسبب الذي من أجله يتم استخدام ضغط عالٍ، تسريع التفاعل ما بين عنصري النيتروجين مع الهيدروجين، ليكونا معًا النشادر (الأمونيا) (NH3)، وذلك بحسب التفاعل الآتي:

N2 + 3H2 ⇋ 2NH3

ويشار إلى أن اتحاد الهيدروجين والنيتروجين يتم على سطح محفّز صلب؛ وذلك بسبب قدرته على تشكيل مادة قادرة على تسريع التفاعل، بحيث أنها تتألف من كميات ضئيلة من الألومينا وأكسيد البوتاسيوم، ورغم ذلك، فإن الهيدروجين والنيتروجين لا تتحد كمياتهما جميعها، حيث يتم من أجل ذلك إعادة تدوير الغازات التي لم تتحد خلال المرحلة الأولى مرة جديدة.

جدير بالذكر أن طريقة هابر، تُعد الأولى من حيث استخدام الضغط الجوي العالي (إلى جانب درجة الحرارة) في إجراء التفاعلات الكيميائية، حيث تمكن العالم الألماني فريتز هابر من تصنيع الأمونيا تجاريًا، إلا أنها بقيت كميات قليلة نسبيًا، إلى أن نجح العالم الألماني الآخر كارل بوش، بتصنيعها بشكل واسع من خلال استخدامه عاملًا محفّزًا إضافة إلى الضغط العالي، كيف؟

الحديد كعامل محفّز يعمل على جعل التفاعل ممكنًا تحت تأثير درة حرارة منخفضة، والإضافة إلى وجود ضغط عالٍ، فإن ذلك سيزيح موضع التفاعل لتكوّن الأمونيا، وبالتالي القدرة على إنتاج كميات كبيرة منها، وتبرز القيمة لهذا الابتكار من خلال النظر إلى سبل الاستفادة من الأمونيا، حيث تبرز في أربعة مواضع أساسية وهي: (فوائد الأمونيا)

أخيرًا، فإن الأمونيا كما أنها تساهم في العديد من الأغراض الزراعية والصناعية والدوائية، إلا أنها تبقى ذات أثر سلبي في أحيان أخرى، حيث أنها قد تتسبب في حدوث الالتهابات وتهيّجات الجلد والأعين والأنف، إضافة إلى آلام الحلق والجزء العلوي من الجهاز التنفسي، كما أن هناك دراسات لم تعمم نتائجها تربط بين الأمونيا وأنواع من السرطان. 

يتم تصنيع الأمونيا في المصانع على طريقة تسمى طريقة هابر عن طريق إحداث اتحاد بين الهيدروجين والنيتروجين بستخدم ضغط ودرجة حرارة عاليين ومحفز هو عنصر الأوزميوم، ويصل إنتاج المصنع الواحد منها إلى 1000 طن تقريبا يومياً، والأولى أن تسمى طريقة هابر بوش " Haber- Bosch " ذلك لأن فرانز هابر وبعد سنوات من البحث نجح في عام 1909 م من ابتكار تلك الطريقة.

 وبنفس ذلك العام قامت شركة BASF بشراء حقوق الإنتاج، وقام أحد المهندسين الكبار وهو كارل بوش بإجراء المزيد من البحوث، وفي أعوام قليلة توصل بمساعدة فريقه إلى بناء المعدات القادرة على تحمل الضغط الشديد، وإيجاد حفاز آخر أقل تكلفة عوضا عن الأوزميوم، وعن طريق التجارب وجدوا أن مسحوق الحديد الذي يحتوي على أكاسيد البوتاسيوم والكالسيوم والألومينيوم يصلح للإسراع بالتفاعل، وما يزال مسحوق الحديد يستخدم إلى يومنا هذا، وتم استخدام الأمونيا وتحويلها إلى حمض النيتريك لإنتاج المتفجرات للاستخدام الحربي بعد أن حال الحصار بين ألمانيا ومصادر النيترات في تشيلي في وقت الحرب.

وتم منح هابر جائزة نوبل عام 1913 م، كما أن بوش شاركه في الجائزة عام 1931 م.

*مراحل تصنيع الأمونيا*
الإصلاح البخــاري:

مصادر الهيدروجين اللازمة لهذه العملية هي هيدروكربونات (C9 – C5) أو الغاز الطبيعي (CH4).

ولكن بدايةً يجب أن يتم إزالة الكبريت إذا كان موجوداً لأنه يتسبب في تسميم المحفز. ويتم إجراء العملية على مرحلتين " أولية وثانوية: عند ضغط 30 جوي، وعند وجود حفاز النيكل، وفي المرحلة الثانية يتم إدخال الهواء، لذلك تحتوي الغازات الخارجة على CO2, H2, N2 وتكون درجة حراراتها حواي ℃1000.

تفاعل الإزاحة:
وجود أكاسيد الكربون يتسبب في تسميم الحفاز لذا يتم إزالته، على مرحلتين يستخدم في المرحلة الأولى الحفاز Fe3O4، وفي المرحلة الثانية حفاز يحتوي على نحاس وخارصين.

 امتصاص ثاني أكسيد الكربون:

يمتص CO2 عند غسل الغازات بمحلول ساخن (℃100) من كربونات البوتاسيوم في الماء. وبعد ذلك يطرد بخار الماء عند عكس هذا الاتزان، ويجمع CO2 كناتج جانبي للعملية، بينما يتم اعادة محلول الكربونات إلى الاستخدام.

تحويل بقايا أكاسيد الكربون إلى ميثان:
من خليط الغازات الناتج في المرحلة السابقة يحتوي على H2, N2 وقليل من الغازات الخاملة وباقي من CO و CO2. ومن الضروري جدا أن يخفض تركيز كل المركبات المحتوية على أكسجين، ويتم ذلك عن طريق محفز النيكل وعند ℃320

ولإزالة CO2 وما يتبقى من CO، يتم تمرير خليط من الغازات في سائل مناسب يسترجع منه CO2 في مرحلة تالية، ليؤدي دوره في عملية الغسل، ومن السوائل المناسبة لذلك محلول مائي لكربونات البوتاسيوم.

ويكفي لإعادة تنشيط المحلول أن يخفف عنه الضغط كذلك يستخدم إيثانول أمين H2NCH2CH2OH الذي يتفاعل مع CO2 على هذا النحو وتتم عملية الامتصاص عند درجة حرارة 40-45 بعد ذلك تسخن الكربونات والبيكربونات الناتجة عند درجة حرارة 120 فينطلق منها CO2 الذي يتم تجميعه والاستفادة منه، أما إيثانول أمين فيتم أعادته للدورة مجددا.

وحتى بعد خروج الغاز في أي من عمليتي الغسل هاتين، فهو ما يزال يحتوي على آثار من أكسيد الكربون، وحيث أن كلا منهما سام للمحفز يجب أن تتم عملية المعالجة النهائية لكي يتم تنزيل تركيزهما إلى حد منخفض جداً، وفي معظم المصانع الحديثة تتم هذه العملية بتحويلهما إلى ميثان عن طريق التسخين فوق المحفز الذي يحتوي على النيكل عند حوالي ℃350.

وهذه العملية عكس عملية الإصلاح التي تتم عند درجات حرارة أعلى، لذلك فإن الإتزان يميل نحو الاتجاه الأيسر في التفاعل المماثل لعملية الإصلاح عند درجات الحرارة العالية، لكنه يميل نحو الاتجاه الأيمن في الاتجاهات السابقة، وكمية الميثان المتبقية في الغاز لا تسبب أية ضرر، فهي لا تدخل في التفاعل مع النيتروجين.

ويفصل بخار الماء من المخلوط قبل أن يضغط إلى حوالي 250 جوياً ويسخن إلى 400 قبل إدخاله إلى مفاعل إنتاج الأمونيا.

التحول إلى الأمونيــا:

مفاعل إنتاج الأمونيا يتكون من أسطوانة من الفولاذ الخاص لديه القدرة على الصمود تحت الضغط العالي ودرجات الحرارة العالية، وكذلك يقاوم التأثر بالغازات التي تمر فيه، وطوله يصل إلى حوالي 30 متراً وقطره 25 متراً تقريبا. ويحتوي على حوالي 180 طنا من الحفاز، الحديد المسحوق الذي أضيفت إليه كميات قليلة من الألومينا Al2O3 وأكاسيد الكالسيوم والبوتاسيوم وبعض السيليكا، ومدة عمل الحفاز بين 4 و 5 سنوات. ويتم تمرير الغازات الساخنة إلى خارج وعاء التفاعل في المبادل حراري، ثم يتم تبردها إلى - 50 فتتحول الأمونيا إلى سائل " درجة غليانه -33 " ويتجمع في أوعية خاصة، بينما يعاد الزائد من النيتروجين والهيدروجين إلى دورة التفاعل بالاختلاط مع الغازات الداخلة.

وتصل درجة الحرارة داخل المفاعل إلى 300 - 320 " وأنسب درجة حرارة للتفاعل هي 420 " وأما بالنسبة للضغط فهو 250 إلى 300 جوي.

تعتبر الأمونيا من أهم العناصر المفيدة حيث يتم إنتاج الأسمدة النيتروجينية من خلالها والتي تعد من أهم العناصر اللازمة للتربة حيث قام العالمان الكميائيان هابر وبوش بالوصول إلى طريقة لتحضير مركب الأمونيا حيث تمر هذه الطريقة بمراحل كميائية ومن ضمن هذه المراحل مرحلة تعريض المركب لضغط متأرجح مما يساهم في طرد ثاني أكسيد الكربون مما يجعله جزئيات الغاز تلتصق بالأسطح الصلبة.