«Фиксация азота имеет жизненно важное значение для прогресса цивилизованного человечества, – отметил Крукс. – Именно химики должны спасти всех, именно в лабораториях голод в конечном счете может быть побежден».
Продуктивный спор
В 1904 г. Фрицу Габеру, тридцатипятилетнему химику-экспериментатору из Высшей технической школы в Карлсруэ, было предложено провести ряд исследований по заданию венской химической компании. Он должен был определить, может ли аммиак быть синтезирован из его составных элементов – водорода и азота. Результаты предыдущих экспериментов были неудачны, и многие думали, что прямой синтез невозможен. Габер и сам был настроен довольно скептически и ответил, что стандартным способом получения аммиака является его добыча из угля, и это самый простой подход. Но он все равно решил попробовать. Его первые эксперименты показали, что азот и водород действительно могут образовывать аммиак при высокой температуре (около 1000 °С, или 1832° по Фаренгейту) в присутствии железа в качестве катализатора. Но доля образовавшегося аммиака была очень мала: между 0,005 и 0,0125 %. Поэтому Габер решил, что ответ на вопрос, возможен ли прямой синтез, положителен, но не имеет практического применения.
И все это так бы и оставалось, если бы не Вальтер Герман Нернст, другой немецкий физикохимик, профессор физической химии в Гёттингене. И хотя он был всего на четыре года старше Габера, Нернст уже был выдающимся ученым, внесшим важный вклад в науку. А кроме этого он изобрел новый вид лампочки на основе керамической нити и электрическое пианино со звукоснимателем в гитарном стиле, хотя ни одно из его изобретений не имело коммерческого успеха. Нернст наиболее известен тем, что в 1906 г. предложил «тепловую теорему» (теперь известную как третий закон термодинамики), которая принесла ему Нобелевскую премию по химии в 1920 г. Проблема была в том, что по прогнозу Нернста доля образовавшегося аммиака составляла 0,0045 %, что было ниже, чем получил Фриц Габер в лаборатории. То есть результат Габера не соответствовал оценке (расчету) Нернста, который и сообщил Габеру об этом несоответствии. Габер повторил свой эксперимент и получил более точный результат: на этот раз доля производимого аммиака составила 0,0048 %. Большинство людей сочли бы это приемлемым и близким значением к прогнозируемому показателю Нернста, но сам он так не считал. Когда Габер представил свои новые результаты на конференции в Гамбурге в 1907 г., Нернст публично оспорил их, предположив, что экспериментальный метод был ошибочным и призвал Габера отозвать как старый, так и новый результат.
Фриц Габер
Габер был очень огорчен этим публичным заявлением более опытного ученого и даже заболел. Он решил, что единственный способ восстановить репутацию – это выполнить новую серию экспериментов, чтобы доказать свою правоту. Во время этих экспериментов он и его помощник Роберт Ле Россиньоль обнаружили, что выход аммиака резко увеличивается, если проводить реакцию при более высоком давлении, но более низкой температуре, чем та, которую они задали в своем первом эксперименте. Они рассчитали, что повышение давления до 200 атмосфер и понижение температуры до 600 °С (1112° по Фаренгейту) должны давать выход аммиака 8 %, а это уже было коммерчески оправданным. Спор с Нернстом показался тривиальным в сравнении с этими результатами и был быстро забыт, а Габер и Ле Россиньоль начали создавать новый аппарат, который, как они надеялись, сможет произвести нужное количество аммиака. В его центре была напорная труба высотой 75 сантиметров и диаметром 13 сантиметров в окружении насосов, манометров и конденсаторов. Габер усовершенствовал свой аппарат, а затем пригласил представителей химической компании BASF, которая к тому времени финансировала его работу.
Решающая демонстрация состоялась 2 июля 1909 г. в присутствии двух сотрудников BASF – Алвина Митташа и Юлиуса Кранца. Утром в процессе демонстрации вылетел один из болтов в реакторе высокого давления, что потребовало ремонта в течение нескольких часов. Но ближе к вечеру аппарат начал работать при 200 атмосферах и около 500 °С, и это привело к выходу аммиака 10 %. Митташ в волнении сжал руку Габера в тот момент, когда появились бесцветные капли жидкого аммиака. К концу дня машина произвела 100 куб. сантиметров аммиака. Ликующий Габер написал в BASF на следующий день: «Вчера мы начали работать с большим аммиачным аппаратом с циркуляцией газа в присутствии доктора Митташа и смогли сохранить производство непрерывным в течение пяти часов. Все это время он работал без сбоев и непрерывно производил жидкий аммиак. Из-за опоздания в несколько часов и так как мы все устали, мы остановили производство, потому что уже ничего нового нельзя было узнать из продолжения эксперимента».
Экспериментальный аппарат Габера
Синтез аммиака в больших масштабах оказался осуществимым. BASF поставила задачу преобразовать работу настольного аппарата Габера в крупномасштабный промышленный процесс под высоким давлением своему химику-технологу Карлу Бошу. Он должен был решить, как генерировать два исходных газа (водород и азот) в больших количествах и по разумной стоимости, найти подходящие катализаторы и, самое сложное, разработать большие стальные сосуды, способные выдерживать огромное давление, требуемое для реакции. Первые два аппарата, построенные Бошем, были примерно в четыре раза больше, чем аппарат Габера. Однако они оказались неудачными. Их трубки высокого давления, необходимые для получения реакции, взорвались примерно через 80 часов работы, хотя и были заключены в железобетон. Бош понял, что водород под высоким давлением восстанавливает углерод в стали, и материал трубок теряет свою прочность и коррозионную стойкость. Его команда также разработала новые виды предохранительных клапанов для работы при высоких давлении и температуре. Были созданы детально продуманные системы теплообмена, способные сократить расход энергии, требуемой для синтеза. Кроме того, были разработаны приспособления, позволившие тестировать большое количество различных материалов-катализаторов. В течение 1910 и 1911 гг. конвертеры Боша постепенно становились больше, хотя все еще производили лишь несколько килограммов аммиака в день. Только в феврале 1912 г. объем дневного производства превысил одну тонну.
Карл Бош
