Fissazione industriale dell’azoto
I materiali azotati sono stati a lungo utilizzati in agricoltura come fertilizzanti, e nel corso del XIX secolo si è capito sempre più l’importanza dell’azoto fissato per la crescita delle piante. Di conseguenza, l’ammoniaca rilasciata nella fabbricazione del coke dal carbone fu recuperata e utilizzata come fertilizzante, così come i depositi di nitrato di sodio (salnitro) dal Cile. Ovunque si praticasse l’agricoltura intensiva, sorgeva una domanda di composti azotati per integrare la fornitura naturale del suolo. Allo stesso tempo, la crescente quantità di salnitro del Cile usato per fare la polvere da sparo portò ad una ricerca mondiale di depositi naturali di questo composto azotato. Alla fine del XIX secolo era chiaro che i recuperi dell’industria carbonifera e l’importazione di nitrati cileni non potevano soddisfare le richieste future. Inoltre, ci si rese conto che, in caso di una grande guerra, una nazione tagliata fuori dalla fornitura cilena sarebbe stata presto incapace di produrre munizioni in quantità adeguate.
Durante la prima decade del 20° secolo, intensi sforzi di ricerca culminarono nello sviluppo di diversi processi commerciali di fissazione dell’azoto. I tre approcci più produttivi erano la combinazione diretta di azoto con ossigeno, la reazione di azoto con carburo di calcio e la combinazione diretta di azoto con idrogeno. Nel primo approccio, l’aria o qualsiasi altra miscela non combinata di ossigeno e azoto viene riscaldata a una temperatura molto alta, e una piccola parte della miscela reagisce per formare il gas ossido nitrico. L’ossido nitrico viene poi convertito chimicamente in nitrati da usare come fertilizzanti. Nel 1902 i generatori elettrici erano in uso alle cascate del Niagara, New York, per combinare azoto e ossigeno nelle alte temperature di un arco elettrico. Questa impresa fallì commercialmente, ma nel 1904 Christian Birkeland e Samuel Eyde della Norvegia usarono un metodo ad arco in un piccolo impianto che fu il precursore di diversi impianti più grandi e di successo commerciale che furono costruiti in Norvegia e in altri paesi.
Il processo ad arco, tuttavia, era costoso e intrinsecamente inefficiente nel suo uso di energia, e fu presto abbandonato per processi migliori. Uno di questi metodi utilizzava la reazione dell’azoto con il carburo di calcio ad alte temperature per formare calcio cianamide, che si idrolizza in ammoniaca e urea. Il processo della cianamide fu utilizzato su larga scala da diversi paesi prima e durante la prima guerra mondiale, ma anch’esso richiedeva molta energia, e nel 1918 il processo Haber-Bosch lo aveva reso obsoleto. Verso il 1909 il chimico tedesco Fritz Haber accertò che l’azoto dell’aria poteva essere combinato con l’idrogeno a pressioni estremamente elevate e a temperature moderatamente alte in presenza di un catalizzatore attivo per produrre una percentuale estremamente elevata di ammoniaca, che è il punto di partenza per la produzione di una vasta gamma di composti azotati. Questo processo, reso commercialmente fattibile da Carl Bosch, è stato chiamato processo Haber-Bosch o processo dell’ammoniaca sintetica. Il successo della Germania su questo processo durante la prima guerra mondiale portò a una rapida espansione dell’industria e alla costruzione di impianti simili in molti altri paesi dopo la guerra. Il metodo Haber-Bosch è oggi uno dei più grandi e basilari processi dell’industria chimica in tutto il mondo.