Fixation industrielle de l’azote
Les matières azotées sont utilisées depuis longtemps en agriculture comme engrais, et au cours du XIXe siècle, l’importance de l’azote fixé pour la croissance des plantes a été de plus en plus comprise. En conséquence, l’ammoniac libéré lors de la fabrication du coke à partir du charbon a été récupéré et utilisé comme engrais, tout comme les dépôts de nitrate de sodium (salpêtre) du Chili. Partout où l’on pratiquait une agriculture intensive, il y avait une demande de composés azotés pour compléter les réserves naturelles du sol. Parallèlement, la quantité croissante de salpêtre chilien utilisé pour fabriquer de la poudre à canon a conduit à une recherche mondiale de gisements naturels de ce composé azoté. À la fin du XIXe siècle, il était clair que les récupérations de l’industrie de carbonisation du charbon et l’importation de nitrates chiliens ne pourraient pas répondre aux demandes futures. En outre, on s’est rendu compte qu’en cas de guerre majeure, une nation coupée de l’approvisionnement chilien serait rapidement incapable de fabriquer des munitions en quantité suffisante.
Au cours de la première décennie du XXe siècle, des efforts de recherche intensifs ont abouti à la mise au point de plusieurs procédés commerciaux de fixation de l’azote. Les trois approches les plus productives étaient la combinaison directe de l’azote avec l’oxygène, la réaction de l’azote avec le carbure de calcium et la combinaison directe de l’azote avec l’hydrogène. Dans la première approche, l’air ou tout autre mélange non combiné d’oxygène et d’azote est chauffé à une température très élevée, et une petite partie du mélange réagit pour former le gaz oxyde nitrique. L’oxyde nitrique est ensuite transformé chimiquement en nitrates pour être utilisé comme engrais. En 1902, des générateurs électriques étaient utilisés aux chutes du Niagara, dans l’État de New York, pour combiner l’azote et l’oxygène aux températures élevées d’un arc électrique. Cette entreprise a échoué commercialement, mais en 1904, Christian Birkeland et Samuel Eyde, de Norvège, ont utilisé une méthode à l’arc dans une petite usine qui a été le précurseur de plusieurs usines plus grandes et commercialement réussies qui ont été construites en Norvège et dans d’autres pays.
Le procédé à l’arc, cependant, était coûteux et intrinsèquement inefficace dans son utilisation de l’énergie, et il a été rapidement abandonné pour de meilleurs procédés. L’une de ces méthodes utilisait la réaction de l’azote avec le carbure de calcium à haute température pour former du cyanamide de calcium, qui s’hydrolyse en ammoniac et en urée. Le procédé de cyanamide a été utilisé à grande échelle par plusieurs pays avant et pendant la Première Guerre mondiale, mais il était lui aussi gourmand en énergie et, en 1918, le procédé Haber-Bosch l’avait rendu obsolète.
Le procédé Haber-Bosch synthétise directement l’ammoniac à partir de l’azote et de l’hydrogène et constitue le procédé de fixation de l’azote le plus économique connu. Vers 1909, le chimiste allemand Fritz Haber a constaté que l’azote de l’air pouvait être combiné à l’hydrogène sous des pressions extrêmement élevées et à des températures modérément élevées, en présence d’un catalyseur actif, pour donner une proportion extrêmement élevée d’ammoniac, qui est le point de départ de la production d’une large gamme de composés azotés. Ce procédé, rendu commercialement viable par Carl Bosch, a été appelé le procédé Haber-Bosch ou le procédé d’ammoniac synthétique. Le succès de ce procédé en Allemagne pendant la Première Guerre mondiale a entraîné une expansion rapide de l’industrie et la construction d’usines similaires dans de nombreux autres pays après la guerre. La méthode Haber-Bosch est aujourd’hui l’un des procédés les plus importants et les plus fondamentaux de l’industrie chimique dans le monde entier.
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