Bez zařazení

Článků v rubrice: 354

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.

Fotogalerie (3)
Schéma nového způsobu produkce amoniaku (kresba MD)

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.

Tesařík Bohumil
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Zátěžový test dobíječek elektromobilů

Premiérový český test souběžného dobíjení šesti elektromobilů na třech stanicích a současně málo vídané doplňování baterií 12 e-aut jedné značky v místě a čase.

Oblíbená Soutěž „Vím proč“ startuje pošesté

Na tři minuty se stát Newtonem, Einsteinem nebo Curie-Sklodowskou, natočit zajímavý fyzikální pokus a vyhrát 200 000 korun pro svou školu.

Plovoucí fotovoltaické elektrárny – řešení pro země s nedostatkem půdy

Kromě nestálosti a nepředvídanosti výroby jsou zřejmě největší nevýhodou solárních elektráren velké zábory zemědělské půdy. Tuto nevýhodu se stále více zemí snaží řešit umisťováním fotovoltaických panelů na střechy továrních hal, obchodních center, úřadů i obytných domů.

Jak améby zvládly bludiště

Možná jste slyšeli o pověstném labyrintu Jindřicha VIII., který se rozprostírá na ploše 1 300 m² poblíž paláce Hampton Court u Londýna. Labyrint byl založen kolem roku 1690, je ze sestříhaného živého plotu a abyste jej celý prošli, musíte ujít 800 m.

Vyrobte si model tokamaku 3D tiskem

Mnoho nadšenců již dnes vlastní 3D tiskárnu, nebo má přístup k nějaké profesionální. Což takhle vyrobit si tokamak? Totiž alespoň jeho názorný a rozebíratelný model. Program je nyní k dispozici volně na stránkách ITER pro studenty, učitele a „fúzní nadšence“ po celém světě.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail