Slovensko
Médiá

Priekopnícky mysliteľ – vtedy a dnes:
Syntéza amoniaku

Priekopnícky mysliteľ – vtedy

V roku 1913 Carl Bosch syntetizuje amoniak v priemyselnom meradle.

gerhard-ertl.jpg

Priekopnícky mysliteľ – dnes

Profesor Gerhard Ertl objavil mechanizmus syntézy amoniaku.

Jeho príchod do Ludwigshafenu bol predzvesťou skutočne pozoruhodnej kariéry: práve si urobil doktorát z chémie na Univerzite Fredericka Williama v Berlíne (dnes Humboldtova univerzita), keď v roku 1899 začal pracovať v spoločnosti BASF. Tu bol vtedy 25-ročný Carl Bosch poverený výskumnou úlohou, ktorá ovplyvnila celý zvyšok jeho života. Jeho úlohou bolo zistiť, ako synteticky spojiť dusík s vodíkom, a vytvoriť tak amoniak.

Veľký objav prišiel v roku 1913. Carl Bosch dokázal presunúť proces syntézy amoniaku, ktorý vyvinul Fritz Haber, z laboratória na úroveň priemyselnej veľkovýroby. Umožnil tak vznik nezávislej výroby minerálnych hnojív, ktorých základnou zložkou je práve amoniak. Jeho úspech pomohol nakŕmiť milióny ľudí na celom svete. Pre tento proces Bosch vyvinul novú vysokotlakovú technológiu, pričom využil spoľahlivé elektrárne so špeciálnymi reaktormi a nové druhy ocele. Odvtedy umožnil Haber-Boschov proces vyrábať obrovské množstvá amoniaku z atmosférického dusíka a vodíka – ktorý sa dnes získava prevažne zo zemného plynu – pomocou železného katalyzátora.

Pred sto rokmi spoločnosť BASF ako prvá na svete postavila priemyselný závod na výrobu amoniaku v nemeckom meste Oppau, dnes súčasť Ludwigshafenu. Bosch bol zároveň vymenovaný za prokuristu spoločnosti – a už o šesť rokov nato sa stal predsedom Rady výkonných riaditeľov. V roku 1925 sa ujal funkcie predsedu novozaloženej spoločnosti I.G. Farben, ktorá vznikla fúziou značiek BASF, Höchst, Bayer a ďalších chemických spoločností. Keď v Nemecku prevzal moc Adolf Hitler, Bosch stál pred morálnou dilemou. Na jednej strane jeho firma profitovala vďaka nacistom. Na druhej strane sám Bosch – ktorý mal liberálne sklony a vehementne odmietal národný socializmus – sa snažil presvedčiť Hitlera, aby ušetril židovských vedcov pred perzekúciou. Žiaľ, neúspešne.

Bosch sa teda začal čoraz viac uťahovať do súkromia, ale svojmu odvetviu sa celkom neotočil chrbtom. Našiel útočisko vo svete vedy. Ako dieťa rád zbieral hmyz, ktorý buď pitval alebo choval vo vyhrievaných teráriách, ktoré si sám postavil. V priebehu jeho života sa táto zbierka rozrástla na milión chrobákov, motýľov a minerálov. Bosch si dokonca kúpil ešte jeden dom, aby mal na všetko dostatok miesta. Na skúmanie hviezd mal v záhrade postavené dve observatóriá.

Nobelova cena, ktorú získal v roku 1931, bola nesporne najväčším prejavom uznania jeho celoživotnej práce. Tento nadšený pozorovateľ prírody by však určite bol ocenil aj ďalšie vyznamenanie: v roku 1990, 50 rokov po jeho smrti, bol po ňom pomenovaný asteroid, 7414 Bosch.

Gerhard Ertl ako 12-ročný objavil v sebe vášeň pre chémiu, a to vďaka knihe s názvom Úspešné chemické experimenty („Chemische Experimente, die gelingen“). Matka mu však nakoniec zarazila jeho experimentovanie, pretože z jeho izby vychádzali „čudné zvuky a pachy“, a tak Ertl presunul pozornosť k fyzike a začal si namiesto toho zostrojovať neškodné rádiá. Jeho vášeň pre oba vedné odbory formovala zvyšok jeho života, až ho napokon priviedla k získaniu Nobelovej ceny. Profesorovi fyziky v deň jeho 71. narodenín oznámili, že získal Nobelovu cenu za chémiu, za svoje revolučné objavy v oblasti heterogénnej katalýzy.

„Na zodpovedanie otázok súvisiacich s chémiou využívam fyzikálne metódy,“ hovorí Ertl pri vysvetľovaní spôsobu, akým pracuje. Týmto prístupom sa riadil aj pri skúmaní mechanizmov slávneho procesu syntézy amoniaku. Hoci od roku 1913 bolo možné – vďaka Carlovi Boschovi – vyrábať amoniak v rozsahu priemyselnej veľkovýroby, jedna otázka zostávala nezodpovedaná: čo sa vlastne deje počas tejto reakcie na povrchu železného katalyzátora? Ertl bol prvý, kto prvý odhalil tajomstvo molekulárnej reakcie – a bol to míľnik v oblasti modernej povrchovej chémie, za ktorú mu neskôr bola udelená Nobelova cena. „Bosch bol inžinier, ktorý umožnil aplikáciu vo veľkom rozsahu, a ja som nadviazal neskôr so základným výskumom,“ hovorí Ertl. Začať podrobne skúmať povrchové procesy mu prvý raz pomohla fyzika polovodičov.

Ako študent fyzikálnej chémie napísal diplomovú prácu na tému rozhrania pevného a plynného skupenstva, čím už pracoval na tom, čo sa neskôr stalo hlavným predmetom jeho skúmania. Vo veku 31 rokov získal postdoktorandskú kvalifikáciu (habilitáciu) vďaka skúmaniu štrukturálnych problémov chemických reakcií na pevnom kryštalickom povrchu. Jeho výskum z neho urobil jedného z najvýznamnejších chemikov našej doby. Ertlov výber témy bol múdry – a odvážny –, pretože v tom čase sa o fázových rozhraniach nevedelo takmer nič. „Ukázala sa to byť veľmi plodná téma pre celý môj život,“ spomína dnes 78-ročný vedec.

Život mimo laboratória bol však pre tohto interdisciplinárneho vedca rovnakou prioritou. Pre Ertla je veľmi dôležitá jeho rodina a hudba. Ako študent vášnivo rád hral na klavír a dokázal sa uživiť hraním hudby v tanečnej skupine. Dnes emeritný profesor a bývalý riaditeľ Inštitútu Fritza Habera pri Spoločnosti Maxa Plancka v Berlíne dodnes strávi jeden večer v týždni ako korepetítor berlínskeho speváckeho zboru Berliner Oratorien Chor. Avšak možnosť oceniť krásu umenia dáva Ertlovi aj samotná chémia. Ako hovorí: „Do dnešného dňa nachádzam estetické potešenie v peknom [chemickom] vzorci alebo krásnom mikroskopickom vzore.“

Informácia

Ako prebieha syntéza amoniaku.

Reaktanty v Haber-Boschovom procese sú vodík a dusík, oba dvojatómové plyny. Aby sa premenili na amoniak, musí sa porušiť silná trojitá väzba v molekule dusíka a jednoduchá väzba v molekule vodíka. To si vyžaduje veľké množstvo energie – alebo katalyzátor, ako je železo, ktoré znižuje množstvo aktivačnej energie. Ale čo sa na povrchu železa vlastne deje? Profesor Gerhard Ertl objavil, že rozhodujúcim krokom je rozštiepenie dusíka. Molekula dusíka (N2) tak silno interaguje s elektrónmi na kovovom povrchu katalyzátora, že väzba medzi oboma atómami v molekule dusíka sa oslabí, až sa nakoniec roztrhne. Obom atómom dusíka tak zostanú tri voľné elektróny, vďaka čomu sa môže každý naviazať na tri atómy vodíka. Na konci reakčného reťazca vznikne z tejto kombinácie amoniak ako konečný produkt. Chemické reakcie na takýchto katalytických povrchoch hrajú významnú úlohu v mnohých priemyselných aplikáciách, od minerálnych hnojív až po čistenie výfukových plynov.