عملية هابر بوش

ما هي عملية هابر بوش

عملية هابر بوش هي عملية يتم فيها تثبيت النيتروجين بالهيدروجين لإنتاج الأمونيا في المعمل، وهذه العملية جزء أساسي من عملية تصنيع الأسمدة النباتية، وتعتبر عملية هابر بوش واحدة من أهم التطورات التكنولوجية التي حدثت في القرن العشرين.

وترجع أهميتها لكونها أول عملية تم ابتكارها لإنتاج الأسمدة النباتية بكميات كبيرة، وهذا ساعد في حدوث طفرة عالمية في السكان بعد زيادة كمية المحاصيل المزروعة بسرعة في وقت قصير، ويعي العلماء الزيادة السكانية الكبيرة التي شهدها العالم لعملية هابر بوش.

وفي وقتنا الحالي يتم إنتاج حوالي 157.3مليون طن متري من الأمونيا يتوجه نحو 90% منها لصناعة الأسمدة الزراعية، ويعتمد حوالي 50% من إنتاج الغذاء في العالم على سماد الأمونيا.

وتساعد الكميات المتبقية من النشادر في صناعة المستحضرات الصيدلانية والبلاستيكية والمنسوجات والمتفجرات وبعض المواد المتفجرة.

أيضًا تعتبر عملية هابر بوش من أولى العمليات الصناعية التي تم تنفيذها تحت ضغط مرتفع.

من هو فريتز هابر

فريتز هابر هو العالم الذي تنسب إليه عملية هابر بوش الأوى، وقد ولد في 9 ديسمبر 1868 في بريسلاو بألمانيا وتوفي في 29 يناير 1934، وقد اهتم بدراسة الكيمياء منذ صغره، وقد اهتم فريتز بربط العمليات الكيميائية بعمليات التصنيع وله أبحاث في مجال الأكسدة الإلكتروليتية والاختزال، كما نشر كتاب شرح فيه اختزال النيتروبنزين على مراحل عند الكاثود وأصبح هذا نموذجًا لعمليات الاختزال المماثلة الأخرى، وفي عام 1918م هابر حصل على جائزة نوبل عن طريقة هابر بوش لإنتاج الأمونيا.

وكان هابر هو أول من اقترح استخدام غاز الكلور كسلاح في الحرب واستخدمته ألمانيا ضد فرنسا خلال الحرب العالمية الأولى، وأيضًا كانت الأمونيا تستخدم فيصنع المتفجرات، ولذلك وجهت لهابر كثير من الانتقادات وتم نبذه في ألمانيا وتم تجاهل دور عملية تثبيت الهيدروجين في تطوير الزراعة تمامًا بعد انتهاء الحرب، مما دعاه للسفر إلى إنجلترا.

تاريخ عملية هابر بوش

تم تطوير عملية هابر بوش الأولية بواسطة العالم فريتز هابر، وتم تعديلها بعد ذلك بواسطة كارل بوش لتصبح عملية صناعة الأسمدة المسماة بعملية هابر-بوش.

قبل تطوير تلك العملية في القرن التاسع عشر كان العالم بحاجة لإنتاج مزيد من الحبوب بسبب زيادة أعداد السكان بشكل كبير، وظهور مناطق جديدة للزراعة في الأمريكتين وروسيا.

ولذلك في أواخر القرن التاسع عشر بدأ كثير من الكيميائيين في البحث عن طريقة لإنتاج سماد عن طريق التثبيت الاصطناعي للنيتروجين، وهي نفس الطريقة التي تحدث في جذور البقوليات بشكل طبيعي، فالبرغم من أن غاز النيتروجين كان موجود بشكل طبيعي في الجو لكن كان عليهم إيجاد طريقة لجعله قابل للاستخدام.

وكان العالم فريتز هابر يسعى جاهدًا لتلبية احتياجات ألمانيا من المواد الكيميائية أثناء الحرب العالمية الأولى، وفي 2 يوليو 1909م نجح هابر في تثبيت النيتروجين في شكل مركب قابل للذوبان في الماء وهو الأمونيا، عن طريق إمرار غازات الهيدروجين والنيتروجين في أنبوب حديدي ساخن مضغوط ومع محفز من فلز الأوزميوم، وكانت هذه هي المرة الأولى التي يتمكن فيها أي شخص من إنتاج الأمونيا في المعمل.

وكان الضغط والمحفز هما المكونان السحريان اللذان استخدمهما هابر، لأن جزيئات النيتروجين مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ثلاثية قوية وكانت تحتاج لضغط مرتفع لفك تلك الروابط.  .

ومع ذلك كانت تلك الطريقة لا تصلح لإنتاج كميات كبيرة، لعدم وجود التكنولوجيا الكافية لتوفير الضغط المطلوب لإتمام هذا التفاعل بشكل تجاري.

تم نقل طريقة فريتز هابر للعالم كارل بوش للعمل على تحسينها لتظهر عملية هابر بوش وفي عام 1912 م، بدأ بناء أول مصنع بطاقة إنتاجية كبيرة تصلح للإنتاج التجاري في منطقة أوباو بألمانيا، وكان المصنع قادرًا على إنتاج طن من الأمونيا السائلة في خمس ساعات فقط، وبحلول عام 1914 كان المصنع ينتج 20 طنًا من النيتروجين القابل للاستخدام يوميًا.

ومع بداية الحرب العالمية الأولى توقف إنتاج النيتروجين اللازم لصنع للأسمدة في المصنع وتحول التصنيع إلى إنتاج المتفجرات لحرب الخنادق، وقد تم افتتاح مصنع ثان لإنتاج النيتروجين في وقت لاحق في ساكسونيا بألمانيا لدعم المجهود الحربي، وفي نهاية الحرب ، عاد المصنعان إلى إنتاج الأسمدة.

وخلال عملية هابر الأصلية تم صنع الأمونيا من الهواء، وعلى الرغم من أن بوش حلل الماء في الأصل للحصول على الهيدروجين ، فإن النسخة الحديثة من العملية تستخدم الغاز الطبيعي للحصول على الميثان، الذي تتم معالجته للحصول على غاز الهيدروجين، وحاليًا يتم توجيه حوالي 3-5% من إنتاج الغاز الطبيعي العالمي لإنتاج الأمونيا عبر عملية هابر-بوش.

أيضًا بعد فترة قصيرة من العمل تم استبدال فلز الأزميوم الذي تم استخدامه كمحفز للتفاعل بالحديد لأنه أقل تكلفة من الأزميوم، ومازال الحديد يستخدم في المصانع حتى الآن.

معادلة تفاعل هابر-بوش

يتم تفاعل هابر بوش وفقًا للمعادلة التالية:

N2(g)+3H2(g)↽−−⇀2NH3(g)

with  ΔH=−92.4kJ/mol

تفاعل هابر بوش هو تفاعل تفاعل طارد للحرارة وقابل للانعكاس وهذا يعني أن النشادر الناتج يمكن إعادته لأصله، وتجمع العملية عادة بين النيتروجين المشتق من الهواء والهيدروجين المشتق من الغاز الطبيعي (الميثان).

المحفز في تفاعل هابر بوش: في المصانع الحديثة هو الحديد مضافًا إليه هيدروكسيد البوتاسيوم ويضاف ليزيد من كفاءة التفاعل.

إعادة تدوير الغازات: عند تمرير الغازات عبر المفاعل في المصانع يتحول 15% فقط من النيتروجين والهيدروجين الذين تم تمريرهما إلى مادة الأمونيا، فتقوم المصانع بإعادة تمرير الغازات غير المتفاعلة عبر المفاعل مرة أخرى حتى يتم تفاعل حوالي 98% من الغازات لتنتج أمونيا:

نسب الغازات في التفاعل: تتطلب المعادلة يتم تمرير خليط من الهيدروجين والنيتروجين عبر المفاعل بنسب 1 حجم من النيتروجين إلى 3 أحجام من الهيدروجين، ولأن قانون أفوجادرو ينص على أن الكميات المتساوية من الغازات تحتوي على نفس عدد الجزيئات عند نفس الضغط ودرجة الحرارة، وهذا يعني أن المفاعل يحتوي على 1 جزيء من النيتروجين إلى كل 3 جزئيات من الهيدروجين.

الضغط: بشكل عام يحتاج هذا التفاعل لضغط مرتفع، وكلما زاد الضغط ساعد ذلك على تقريب الجزيئات من بعضها ويزيد فرص التصاقهم بسطح المحفز ويزيد معدل تفعل الغازات، ومع ذلك فإن تطبيق ضغط مرتفع جدًا له تكلفة اقتصادية مرتفعة حيث يحتاج لاستخدام أنابيب قوية للغاية وأوعية لتحمل الضغط العالي للغاية، وهذا يجعل تكاليف الإنتاج باهظة، ولذلك يتم تنفيذ التفاعل في معظم المصانع تحت ضغط 200 جوي حتى تكون العملية فعالة من الناحية الاقتصادية.

درجة الحرارة: تساعد درجة الحرارة في زيادة سرعة التفاعل، أي أنها تنتج الأمونيا بشكل أسرع، وتستخدم المصانع درجة حرارة تتراوح بين 400-450 درجة مئوية، وهي درجة حرارة متوسطة، تساعد على إنتاج كمية معقولة من الأمونيا في وقت قصير.

الآثار السلبية لعملية هابر بوش

يعتبر العلماء أن العملية الحالية لتثبيت النيتروجين ليست عملية فعالة تمامًا، لأن تلك العملية كثيفة الاستهلاك للطاقة بسبب ارتفاع درجة الحرارة اللازمة لكسر الروابط الجزيئية للنيتروجين، ويحاول العلماء حاليًا على تطوير طريقة أكثر كفاءة لإتمام العملية بطرق أكثر صداقة للبيئة وفي نفس الوقت تدعم الزراعة في العالم.

أيضًا فإن أحد التحديات التي تواجه العملية حاليًا هي أن كميات كبيرة من النيتروجين الذي يتم إنتاجه عبر عملية هابر بوش تضيع بعد تطبيقها في الحقول بسبب عملية الجريان السطحي عند هطول الأمطار.