O PROCESSO HABER-BOSCH

O PROCESSO HABER-BOSCH

            Um dos grandes desafios da humanidade é criar soluções cada vez mais eficazes para produção de alimentos em larga escala. Ao longo do tempo descobriu-se que as plantas necessitam de certos alimentos para crescerem. Elas utilizam basicamente de O₂, H₂ e CO₂ presentes em quantidades abundantes na agua do solo e no ar atmosférico. Além desses elementos as plantas exigem uma porção mínima de outros elementos como N, P, K que também são retirados do solo. Porém, muitos solos apresentam quantidades insuficientes de N, P, K dificultando ou impedindo o crescimento saudável da planta. Eles se tornam então os elementos limitantes. Se o solo não tiver uma quantidade mínima de N, P, K a planta simplesmente não cresce.

            Em nosso planeta não há quantidades suficiente de terras para plantarmos alimentos para todos. Na busca de uma solução muitos cientistas estudaram possiblidades de enriquecer o solo, era preciso expandir a superfície fértil da terra, aumentando a disponibilidade dos elementos limitantes.

            Estes pesquisadores descobriram que estes elementos limitantes deveriam estar em uma forma biodisponível, ou seja em uma forma capaz de ser absorvida pelas plantas, o N₂ por exemplo. Embora haja muito N₂ na atmosfera, ele se apresenta na forma de nitrogênio molecular onde não pode ser aproveitado pelas plantas. Assim foram desenvolvidos os adubos ou fertilizantes, produtos que normalmente contem KNO₃ e Ca₃(PO₄)₂.

            Os depósitos naturais de guanos e salitres surgiram como primeira solução. Guano é um resíduo de fezes de aves marinhas que são depositadas ao longo de milhares de anos formando verdadeiras ilhas na costa do Peru.

            Já o salitre são minas de KNO₃ existentes no norte do Chile, tais fontes foram intensamente exploradas na segunda metade do século XIX, mas não durariam muito.

            No final do século XIX, cientistas renomados como William Crookes já alertavam que essas fontes de fertilizantes não renováveis iriam se esgotar. Nesta época a Inglaterra monopolizava o comércio desses produtos, por esses motivos a pesquisa por alternativa de fertilizantes passa a ter um valor altamente estratégico para outros países. Um deles é a Alemanha recém unificada, a Alemanha estava extremamente preocupada em construir sua hegemonia tanto política quanto econômica. Outro interesse da Alemanha pela pesquisa era o fato dos nitratos entrarem na formulação dos explosivos.

            Observando que os raios apresentavam a combinação do N₂ e O₂ da atmosfera procurou-se fazer o mesmo com altas correntes elétricas, industrialmente, mas era um processo muito caro. É neste cenário que surge Fritz Haber, o homem que realizou a síntese da amônia de maneira a produzir em escala industrial a partir do N₂ e H₂ abundantemente disponíveis. Essa reação química parece simples, mas não é. Transformar uma molécula de N₂ e de 3H₂ em 2NH₃ é tecnicamente muito complexo porque necessita de altas pressões e temperaturas.

         Ele estudou tudo isso cuidadosamente, junto com a sua equipe construiu um recipiente resistente a altas pressões, onde novas válvulas foram desenvolvidas, vários catalisadores foram investigados e finalmente um sopro de amônia escorreu em seu reator.

            Ostwald, Le Chatelier, Nernst e grandes cientistas da época tentaram realizar a síntese. Todos sabiam que a reação precisava de altas pressões e temperaturas elevadas e que catalisadores deveriam ser usados.

Trabalhando com a equação química da formação de amônia,

            Haber sabia que a remoção de calor deveria favorecer a formação de amônia. Mas na realidade Haber foi incapaz de detectar a formação de traços de amônia, sendo que isso indicava que a velocidade de reação direta era extremamente lenta. Haber também sabia que 4 volumes molar se tornavam 2 volumes molar nesta reação direta o que tende a diminuir a pressão no recipiente. Ele incentivou essa reação aplicando mais pressão no sistema para “espremer” a amônia. Isso resultou em um fracasso. Mesmo sob centenas de atmosferas de pressão e temperaturas baixas, ele foi incapaz de produzir um sopro de amônia, nem Haber e nem a Alemanha tinham tempo de esperar uma reação tão lenta.

            Haber percebeu que a adição de calor acelera todas as reações, se não houvesse um produto para interferir a reação, teria só um sentido. A presença do produto amônia certamente não era o problema no inicio, de modo que uma temperatura elevada poderia ser usada pra produzir amônia.

            O inimigo de Haber era a amônia em si, quando ela aumentava em quantidade, o calor começava a favorecer a reação inversa, de volta para o nitrogênio e hidrogênio até que um equilíbrio fosse atingido com apenas uma pequena quantidade de amônia presente.

            Se só era possível produzir um pouco de amônia, Haber resolveu produzi-la rapidamente e ele descobriu que o Ósmio e Urânio eram os catalisadores que produziam o maior aumento de velocidade da reação. Com estes dados Haber foi capaz de calcular que era possível atingir um compromisso com a velocidade de reação e a concentração do produto na mistura de gases.

            A uma pressão de 200 atm e a uma temperatura de 600ºC, ele produziu 100 cm³ de amônia e quase um rendimento de 8%. Mas a velocidade da reação tornava o processo comercialmente inviável.

            O trabalho de Haber teve o sucesso de unir ciência e tecnologia. Os interesses científicos da academia se juntaram aos interesses comerciais da indústria química que financiou seu trabalho. O uso do catalisador permitiu que sua reação ocorresse em temperaturas e pressões muito elevadas, mas possíveis de serem usadas na produção industrial e foi um trabalho em equipe.

            O processo de Haber foi levado à escala industrial pelo engenheiro Carl Bosch onde ambos desenvolveram um método viável para a síntese da amônia. Haber melhorou as condições da reação enquanto Bosch a adaptou para ser produzida em escala industrial. Portanto a Alemanha poderia a partir da amônia fabricar seu nitrato para fertilizar suas terras e produzir seus explosivos. 

 

            Isso viabilizou a produção dessa substância tão importante. O processo de síntese de amônia foi batizado de processo Haber-Bosch. Ele foi considerado tão importante que o cientista recebeu o premio Nobel de química no ano de 1918

            Os fertilizantes fabricados neste modo proporcionaram um enorme avanço na agricultura em grande escala e hoje bilhões de pessoas podem encontrar o que comer graças ao trabalho de Fritz Haber. Sem duvida se não houvesse a produção de amônia a produção agrícola seria muito menor, além disso, a amônia é muito utilizada para a produção de explosivos, medicamentos, polímeros e muitos outros compostos.

            Além de grande cientista, Haber era um nacionalista extremo e usou seu conhecimento na produção de armas químicas onde milhares de pessoas morreram por isso.

            Haber entendia que como cientista era dever seu usar seu conhecimento para ajudar seu país vencer a guerra. Einsten que era um grande amigo de Haber discordava dele e mantinha uma postura pacifista.

            A Alemanha perde a guerra e Haber é acusado de criminoso de guerra e se exila. Suas experiências com armas químicas e gases mortais revelam um paradoxo entre o conhecimento e a ética.

            Quando Haber retorna a Alemanha, seu instituto de físico-química em Berlin se torna o centro mais avançado do mundo neste campo, mas seu país está muito diferente.

            Com a ascensão do nazismo em 1933, todos os funcionários públicos de origem judaica são demitidos e passam a ser perseguidos. Haber era judeu e acaba morrendo em um exílio na Suíça em 1934 extremamente amargurado. Seu país a quem Haber tanto se dedicou acabou por renegar seu conhecimento como igual.

            Portanto compreender como se dão as reações químicas é fundamental para podermos controlá-las e obter os resultados que desejamos. Muito dos trabalhos atuais dos cientistas conhecidos como químicos são dedicados a essa compreensão. A aplicação do conhecimento científico ainda é imprevisível. Hoje a utilização intensa dos fertilizantes na agricultura e o próprio modelo de agricultura baseado nos fertilizantes são causas de preocupação pelo impacto ambiental que promovem.

            Derrubadas de florestas, esgotamento e poluição do solo e da água doce, como evitar esses impactos?

            Como manter uma produção sustentável desses alimentos em grande escala para uma população que não para de crescer?

            Encontrar essas respostas voltou a ser um dos nossos grandes desafios. A ciência é viva e evolui para tentar compreender melhor a natureza e ninguém sabe o que futuro fará com o que sabemos hoje, afinal tudo se transforma, até mesmo o conhecimento. 
Referência:
ARAÚJO, M.C. ; BALDINATO, J.O. A síntese de amônia: uma proposta de estudo histórico para a formação de professores de química vinculada ao Prêmio Nobel de Fritz Haber. Revista História da Ciência e Ensino: Construindo Interfaces. São Paulo, Volume 11, pg. 91-129, 2015.
Disponível em: file:///C:/Users/Seven/Downloads/nobel%20(2).pdf

Resumo elaborado por:  Renato Ceconi Leone Moreira