Fijación industrial del nitrógeno
Los materiales nitrogenados se han utilizado durante mucho tiempo en la agricultura como fertilizantes, y en el transcurso del siglo XIX se comprendió cada vez más la importancia del nitrógeno fijado para las plantas en crecimiento. En consecuencia, el amoníaco liberado en la fabricación de coque a partir del carbón se recuperó y se utilizó como fertilizante, al igual que los depósitos de nitrato de sodio (salitre) de Chile. Dondequiera que se practicara la agricultura intensiva, surgía una demanda de compuestos de nitrógeno para complementar el suministro natural del suelo. Al mismo tiempo, el aumento de la cantidad de salitre de Chile utilizado para fabricar pólvora llevó a una búsqueda mundial de depósitos naturales de este compuesto nitrogenado. A finales del siglo XIX estaba claro que las recuperaciones de la industria carbonera y la importación de nitratos chilenos no podrían satisfacer las demandas futuras. Además, se comprendió que, en caso de una guerra importante, una nación aislada del suministro chileno pronto sería incapaz de fabricar municiones en cantidades adecuadas.
Durante la primera década del siglo XX, los intensos esfuerzos de investigación culminaron en el desarrollo de varios procesos comerciales de fijación de nitrógeno. Los tres enfoques más productivos eran la combinación directa de nitrógeno con oxígeno, la reacción de nitrógeno con carburo de calcio y la combinación directa de nitrógeno con hidrógeno. En el primer enfoque, el aire o cualquier otra mezcla no combinada de oxígeno y nitrógeno se calienta a una temperatura muy alta, y una pequeña parte de la mezcla reacciona para formar el gas óxido nítrico. A continuación, el óxido nítrico se convierte químicamente en nitratos para su uso como fertilizantes. En 1902 ya se utilizaban generadores eléctricos en las cataratas del Niágara (Nueva York) para combinar el nitrógeno y el oxígeno a las altas temperaturas de un arco eléctrico. Esta empresa fracasó comercialmente, pero en 1904 Christian Birkeland y Samuel Eyde, de Noruega, utilizaron un método de arco en una pequeña planta que fue el precursor de varias plantas más grandes y comercialmente exitosas que se construyeron en Noruega y otros países.
El proceso de arco, sin embargo, era costoso e intrínsecamente ineficiente en su uso de energía, y pronto fue abandonado por procesos mejores. Uno de estos métodos utilizaba la reacción del nitrógeno con el carburo de calcio a altas temperaturas para formar cianamida de calcio, que se hidroliza en amoníaco y urea. El proceso de la cianamida fue utilizado a gran escala por varios países antes y durante la Primera Guerra Mundial, pero también consumía mucha energía, y en 1918 el proceso Haber-Bosch lo había dejado obsoleto.
El proceso Haber-Bosch sintetiza directamente el amoníaco a partir del nitrógeno y el hidrógeno y es el proceso de fijación de nitrógeno más económico que se conoce. Hacia 1909, el químico alemán Fritz Haber comprobó que el nitrógeno del aire podía combinarse con el hidrógeno a presiones extremadamente altas y a temperaturas moderadamente elevadas en presencia de un catalizador activo para obtener una proporción extremadamente alta de amoníaco, que es el punto de partida para la producción de una amplia gama de compuestos nitrogenados. Este proceso, que Carl Bosch hizo comercialmente viable, pasó a llamarse proceso Haber-Bosch o proceso de amoníaco sintético. El éxito de este proceso en Alemania durante la Primera Guerra Mundial condujo a una rápida expansión de la industria y a la construcción de plantas similares en muchos otros países después de la guerra. En la actualidad, el método Haber-Bosch es uno de los procesos más importantes y básicos de la industria química en todo el mundo.