Wiedza i Życie 11/2014
W numerze m.in.:
Kosmos
Wybuch, dżet, błysk; Przemek Berg
Botanika
Tropikalne giganty; Radosław Kożuszek
Mikrobiologia
Bomba mikrobiologiczna; Z prof. dr hab. Walerią Hryniewicz rozmawia Marek Oramus
Historia
Bizantyńska krucjata; Łukasz Czarnecki  

Obrazki z olbrzymich dolin, dopiero co opuszczonych przez lód, są przejmujące. Wnioski badaczy obserwujących tę rejteradę – także. W Alpach lodowce zaczynają zanikać w zastraszającym tempie. Exodus zaczął się niecałe 20 lat temu.

Walki kogutów towarzyszą ludziom od zarania dziejów. Tam, gdzie nie  wolno urządzać ich legalnie, kwitnie podziemie.

Zaraza, która spadła w XIV w. na Europę, była jednym z najbardziej traumatycznych wydarzeń w dziejach naszego kontynentu. Wciąż nie wiemy o niej wszystkiego.

Czasem mówi się, że systemy Big Data wiedzą o nas więcej niż my sami. W tym z pozoru żartobliwym stwierdzeniu kryje się wiele prawdy.  

Aktualne numery
08/2017
07/2017
Kalendarium
Sierpień
18
W 1868 r. francuski astronom Pierre Janssen, badając widmo korony słonecznej w trakcie zaćmienia, odkrył hel.
Warto przeczytać
Grafika komputerowa zazwyczaj kojarzy się z wyretuszowanymi zdjęciami modeli i modelek. W rzeczywistości daje nam o wiele większe możliwości.
Piksele, wektory i inne stwory to wprowadzenie do grafiki komputerowej dla dzieci i nie tylko.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Andrzej Hołdys | dodano: 2012-06-13
Cudowna synteza

Gdybyśmy nie nauczyli się produkcji amoniaku, około połowy z nas nie byłoby dziś na Ziemi. Wyjałowione gleby nie zdołałyby bowiem wyżywić takiej armii ludzi. Rozpoczęta sto lat temu era nawozów azotowych zapewniła urodzaj i zmieniła planetę - na dobre i złe.

W czerwcu 1920 roku w Sztokholmie odbyła się pierwsza po wielu latach przerwy spowodowanej I wojną światową uroczystość wręczenia Nagród Nobla w dziedzinie fizyki i chemii. Przekazano zaległe wyróżnienia laureatom w obu dziedzinach za rok 1918. Był to moment tryumfu niemieckich uczonych. Nagrodę w dziedzinie fizyki odebrał Max Planck, pionier mechaniki kwantowej, a w chemii - Fritz Haber, którego uhonorowano za opracowanie syntezy amoniaku. "Pierwszy rozwiązał Pan problem, nad którym wcześniej pracowało wielu innych uczonych. Pańskie badania przyniosą wielką korzyść ludzkości" - zwracał się do tego drugiego podczas ceremonii dr Ake Ekstrand, prezydent Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk.

Haber był doskonałym, lecz kontrowersyjnym uczonym. Z jednej strony dał światu syntezę amoniaku, z drugiej - opracował wytwarzanie trujących gazów, których niemiecka armia użyła podczas I wojny światowej. Co więcej, jako dowódca grupy chemicznej utworzonej przy pruskim Ministerstwie Wojny osobiście kierował atakami gazowymi, m.in. w bitwie z Rosjanami w czerwcu 1915 roku pod Bolimowem koło Skierniewic. Podczas przemówienia w Sztokholmie dr Ekstrand był na tyle grzeczny, że nie wspomniał nawet słowem o tym zbrodniczym epizodzie w karierze Habera, a oficjalny życiorys uczonego na stronie Fundacji Noblowskiej poświęca pół zdania jego "zasługom" w zastosowaniu broni chemicznej na polu bitwy.

Nigdy więcej guana

atrząc z dzisiejszej perspektywy, trudno byłoby zakwestionować słuszność decyzji szwedzkiej Akademii. Synteza amoniaku rzeczywiście zrewolucjonizowała rolnictwo, oddalając widmo głodu i przygotowując grunt pod eksplozję demograficzną. Na przełomie XIX i XX wieku wiele zespołów naukowych w Europie i za oceanem usilnie próbowało przeprowadzić syntezę amoniaku z wodoru i azotu atmosferycznego. Problem stawał się palący z dwóch głównych powodów. Po pierwsze, wraz ze wzrostem liczby ludności na Ziemi rosło zapotrzebowanie na żywność. Intensywne rolnictwo prowadziło jednak do wyjaławiania gleby, która szybko traciła cenne pierwiastki, m.in. azot, niezbędne dla wielu procesów życiowych.

Nasi przodkowie już tysiące lat temu zauważyli, że nawożąc gleby odchodami zwierzęcymi i ludzkimi, mogą podnieść plony. Odchody są bowiem, co odkryto znacznie później, naturalnym źródłem łatwo dostępnych związków azotu, potasu i fosforu - trzech najważniejszych dla roślin pierwiastków. "Nic nie jest tak cenne jak gnój" - miał powiedzieć grecki historyk Ksenofont żyjący w IV wieku p.n.e.

W XIX wieku n.e. ważnym źródłem nawozów stało się guano, czyli ptasie odchody. Do Europy sprowadzano je aż z wybrzeży Peru, gdzie znajdują się duże złoża tego surowca. Pod koniec XIX wieku zwrócono uwagę na złoża azotanów, określane jako saletry. Najcenniejszą z nich była saletra chilijska odkładająca się na pustyni Atacama. W krótkim czasie region ten stał się głównym źródłem nawozów azotowych na świecie. Kolejnym były piece koksownicze, gdzie wychwytywano amoniak - gaz zbudowany z azotu i wodoru, łatwo wchodzący w reakcje chemiczne. Z niego także wytwarzano nawozy.

Potrzeby europejskiego rolnictwa rosły jednak tak szybko, że na początku XX wieku zaczęto się obawiać o to, jak długo jeszcze można będzie korzystać ze złóż chilijskiej saletry. Ich wyczerpanie doprowadziłoby do załamania rolnictwa i wywołało katastrofę gospodarczą. Dla odbiorców europejskich (i nie tylko) niepokojące było również to, że praktycznie jeden kraj - Chile - miał monopol na handel tym surowcem. Tymczasem saletra miała także wielkie znaczenie wojskowe - produkowano z niej materiały wybuchowe. I to był drugi, zdaniem wielu najważniejszy powód, dla którego na przełomie XIX i XX wieku zaczęto prowadzić intensywne badania nad uzyskaniem amoniaku z niewyczerpanego źródła azotu, czyli powietrza.

I żołnierze, i rolnicy

zot stanowi ponad 78% ziemskiej atmosfery. Występuje jednak w niedostępnej dla roślin formie mało aktywnej chemicznie. Fritz Haber, który w wieku 30 lat został profesorem na politechnice w Karlsruhe, po wielu latach eksperymentów finansowanych przez zakłady Badische Anilin- und Soda-Fabrik (BASF) w Ludwigshafen odkrył, że wodór w obecności odpowiedniego katalizatora reaguje z azotem, dając amoniak. Reakcja odbywa się pod dużym ciśnieniem oraz w wysokiej temperaturze. Haber przeprowadził setki testów, aby ustalić te warunki. Zależało mu, by odkrycie od razu zastosować w przemyśle. W 1908 roku badania były na tyle zaawansowane, że w październiku uczony złożył wniosek patentowy. Od tego momentu stał się wspólnie z firmą BASF współwłaścicielem wynalazku. Dwa lata później podobny wniosek został złożony w USA. W tym samym czasie w Niemczech zaczęto wznosić pierwszą prototypową fabrykę, w której w temperaturze około 500 °C i przy ciśnieniu około 100 at wytwarzano rocznie 30 tys. ton amoniaku. Proces ten został następnie udoskonalony przez inżynierów z BASF, a kierujący zespołem profesor Carl Bosch zbudował nową, znacznie bardziej wydajną instalację, dzięki której można było produkować amoniak na skalę przemysłową. W 1931 roku otrzymał za to Nagrodę Nobla.

W Chile nadal pracują kopalnie saletry, lecz dziś mają one znaczenie lokalne. Ponad 99,5% azotu na świecie pozyskuje się, stosując proces Habera-Boscha, nieznacznie tylko udoskonalony. Amoniak jest powszechnie stosowany do produkcji nawozów azotowych, ale wytwarza się z niego także substancje wybuchowe, takie jak nitrogliceryna czy trójnitrotoluen (TNT). Gdy podczas I wojny światowej Niemcy zostały odcięte przez Brytyjczyków od dostaw saletry chilijskiej, niemiecki przemysł zbrojeniowy dzięki odkryciom Habera mógł nadal pracować na pełnych obrotach i produkować amunicję. Bez niej Niemcy szybko zostałyby zmuszone do kapitulacji.

Amoniak służy też do produkcji mas plastycznych, włókien sztucznych oraz żywic syntetycznych. Jednak około 80% jego produkcji szacowanej obecnie na około 120-130 mln ton rocznie, odbiera rolnictwo. Jan Erisman z Energy Research Center of the Netherlands ze współpracownikami w artykule z październikowego "Nature Geoscience" ocenia, że liczba ludzi przypadających na hektar ziemi uprawnej wzrosła w okresie 1908-2008 z poziomu 1,9 do 4,3. Wzrost wydajności rolnictwa - ponaddwukrotny w ciągu zaledwie wieku! - zawdzięczamy, zdaniem wspomnianych badaczy, głównie reakcji Habera-Boscha. Warto podkreślić, że jest to średnia dla całego globu, która zaciera gigantyczne różnice pomiędzy regionami. Z jednej strony mamy bowiem Europę i Amerykę, gdzie dzięki masowemu zastosowaniu nawozów azotowych nastąpił szybki rozwój produkcji mięsa i mleka, z drugiej - Afrykę, w której setki milionów mieszkańców chronicznie nie dojada, a wielu głoduje. Erisman i jego zespół szacują też, że nawozy azotowe odpowiadają w jednej czwartej za eksplozję demograficzną XX wieku. Dzięki nim na Ziemi pojawiło się około 4 mld osobników z gatunku Homo sapiens. Z ponad 6,5 mld żyjących obecnie na planecie ludzi około połowa ma co jeść dzięki temu, że nauczyliśmy się syntetyzować amoniak - twierdzą badacze.