https://www.3pol.cz/cz/rubriky/bez-zarazeni/2066-amoniak-zase-jinak

Amoniak zase jinak

Zemská atmosféra obsahuje 78,1 objemových procent dusíku N₂ coby prvku. Až do počátku 20. století jsme ho však neuměli využít a jediným značně omezeným zdrojem vázaného dusíku pro použití v chemii byl přírodní chilský ledek, obsahující jako základní složku dusičnan sodný NaNO₃. Zavedením průmyslové karbonizace uhlí při výrobě svítiplynu a koksu byl při čištění surového plynu z absorpčních pracích vod získáván desorpcí plynný amoniak, hovorově „čpavek“. O jeho přímou syntézu z prvků se pokoušela celá řada chemiků již od roku 1785, kdy francouzský učenec C. L. Berthollet podal důkaz o tom, že se amoniak skládá z vodíku a dusíku. Teprve až v roce 1909 vyvinul německý fyzikální chemik Fritz Haber (1868-1934) ve spolupráci s chemickým technologem Carl Boschem (1874-1940) vůbec první průmyslový vysokotlaký proces – katalytickou syntézu amoniaku z prvků, později nazvanou jejich jménem a oceněnou udělením dvou Nobelových cen za chemii.

Průmyslovou výrobu amoniaku zahájily v roce 1913 závody BASF v Ludwigshafenu-Oppau. Provozní zařízení s denní kapacitou 30 t poprvé využívalo s úspěchem novou Haberovu-Boschovu technologii vysokotlaké redukce vzdušného dusíku vodíkem, který byl získáván energeticky náročnou (což platí dodnes) elektrolýzou vody. Moderní metody používají stejného principu, liší se však zdrojem vodíku. Ten je dnes připraven vyváženým sledem reakcí ze zemního plynu nebo ropy parním reformingem, s použitím účinných katalyzátorů (aktivované houbovité železo). Samotná slučovací reakce je velmi jednoduchá (skutečný chemismus je však podstatně složitější) a její rovnici se v hodinách chemie učí napsat již žáci  základních škol:  N₂ + 3 H₂ ↔ 2 NH₃

V této konečné fázi výroby syntetického amoniaku jsou proměnnými tlak (10-30 MPa), teplota syntézy (kolem 400 ^oC), průtok plynu, složení katalyzátoru a velikost jeho částic (částice železa o velikosti 5-10 µm, oddělené žáruvzdornými amorfními oxidy, částečně pokryté alkalickým promotorem ke zvýšení aktivity).

K čemu se amoniak používá

Světová výroba syntetického amoniaku Haber-Boschovou syntézou během posledních 50 let dramaticky vzrostla a stále ještě roste; zatím co v roce 1950 se pohybovala jeho roční výroba okolo jednoho milionu tun, současná produkce činí více než 140 milionů tun bezvodého kapalného amoniaku ročně. Z tohoto množství se přes 80 % využívá v různých formách jako „umělé“ dusíkaté hnojivo. K dalšímu průmyslovému využití patří výroba komerčních výbušnin (dusičnan amonný, nitroglycerin, TNT a nitrocelulóza), vláken a plastů (kaprolaktam a hexamethylendiamin pro nylon, polyamidy, chemické hedvábí a polyuretany) a celá řada aplikací při chlazení, zpracování celulózy, odcínování a inhibici koroze. Používá se také jako stabilizátor pryže, při regulaci pH, při výrobě detergentů pro domácnost, v potravinářském průmyslu, při výrobě nápojů, ve farmaceutickém průmyslu, při výrobě četných organických a anorganických dusíkatých sloučenin (kyselina dusičná, dusitany a dusičnany, amonné sole, močovina, hydrazin, hydroxylamin aj.).

Jinak na amoniak

V polovině letošního roku zaujala odbornou veřejnost zpráva o tom, že vědecký tým chemiků (Joshua M. McEnaney et al.) z prestižní soukromé Stanfordovy univerzity (Leland Stanford Junior University) z amerického Silicon Valley se zabývá výzkumem alternativní technologie výroby amoniaku, založené na vysoké chemické reaktivitě kovového lithia již při mírně zvýšené teplotě, a na speciálních vlastnostech jeho některých sloučenin. Dosavadní výsledky vedou k postupu, při kterém se nejdříve využívá přímá reakce kovového lithia s plynným, jinak velmi nereaktivním dusíkem (atomy v molekule N₂ spolu váže extrémně silná trojná vazba). Vzniká nitrid lithný Li₃N. Ten se rozkládá vodou na oxid lithný Li₂O, který okamžitě reaguje s přítomnou vodou za vzniku amoniaku NH₃ a bílého krystalického hydroxidu lithného LiOH, jehož teplota tání činí 450 ^oC. Elektrolýzou jeho taveniny (což je opět velmi nákladný proces) vzniká zpět elementární lithium pro další reakci s dusíkem. S výjimkou této reakce probíhají obě zbývající za normální teploty a tlaku. Výroba amoniaku se může stát způsobem, jak „konzervovat“ elektrickou energii. Nespolehlivé zdroje, jako je fotovoltaika nebo větrné elektrárny, mohou vyrábět elektrický proud, který by se v době přebytku zužitkoval při výrobě amoniaku.

Chemie dusíku stále překvapuje

Podobných oznámení o „studené“ výrobě amoniaku se již v minulosti objevilo několik, do praxe se však zatím zjevně tyto nápady převést nepodařilo. Haberova katalytická syntéza amoniaku nebyla ani po více než sto letech překonána, třebaže do vývoje technologického zařízení a optimalizace probíhajících chemických reakcí bylo až do dnešních dnů vloženo mnoho práce, vynalézavosti a technického umu několika generací vědců a techniků.

Zdroje:

Jinak na amoniak. Akademon.cz,  19.7. 2017.

McEnaney, J., M. et al., Ammonia synthesis from N2 and H2O using a lithium cycling electrification strategy at atmospheric pressure. Energy Environ. Sci., 2017, 10, 1621-1630.

Greenwood, N., N., Earnshaw, A.: Chemie prvků. Svazek 1. Informatorium, Praha 1993.