Camila Welikson
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Fritz Haber e a Síntese da Amônia
Origem
Fritz Haber nasceu no dia 09 de dezembro de 1868 em Breslau, na então Prússia pertencente à Alemanha e que hoje se chama Wroclaw e fica na Polônia.
Quando ele nasceu a Alemanha estava em processo de unificação, que terminou em 1871. O território da Alemanha após a unificação é apresentado na Figura 1, onde se vê a cidade natal de Fritz Haber.
Figura 1: Mapa da Alemanha unificada mostrando a cidade de Breslau.
Formação Acadêmica
Fritz Haber, de 1886 a 1891, estudou na Universidade de Heidelberg, na Alemanha, com Robert Bunsen (aperfeiçoador do bico de Bunsen que é muito utilizado em laboratórios básicos de química), na Universidade de Berlim, com August Wilhelm von Hofmann (químico alemão), e no Colégio Técnico de Charlottenburg, com Carl Liebermann.
Vida Profissional
Depois de completar a sua formação universitária, Haber trabalhou no comércio de produtos químicos com seu pai e no Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, na Suíca, com Georg Lunge (químico alemão). Haber, decidido a empreender uma carreira mais científica, trabalhou com Ludwig Knorr (químico alemão) em Jena, na Alemanha.
Entre a Física e a Química, Haber lecionou química da Escola Superior Técnica de Karlsruhe, na Alemanha, e Físico-Química na Universidade de Berlim, de 1894 a 1911. Foi diretor do Kaiser-Wilhelm-Institut, situado em Dahlem um distrito de Berlim, de 1911 a 1933.
O Kaiser-Wilhelm-Institut é, atualmente, o Fritz- Haber-Institut, fur Physikalische Chemie und Electrochemie.
Haber dedicou anos estudando a síntese da amônia.
A síntese da amônia é a fixação da amônia a partir do nitrogênio do ar. Veja a sua equação química (Haber-Bosch).
Figura 2: Desenho esquemático do processo de Sínese da Amônia.
Os passos são:
1. Introduz-se a mistura gasosa N2 e H2 no reator.
2. Após o estabelecimento do equilíbrio, essa mistura é transferida para um condensador, onde o NH3 liquefeito é retirado rapidamente do sistema.
3. A parte da mistura de N2 e H2 que não reagiu é levada novamente para o reator, repetindo-se o
A reação é:
A temperatura é de 400 a 600 ºC e a pressão de 140 a 340 atm.
O catalisador usado é FeO com pequenas impurezas de AlO, MgO, CaO e K2O.
A partir dessas informações e conhecendo o Principio de Le Chatelier, podemos prever as condições que favorecem a produção de grandes quantidades de NH3:
- Baixas temperaturas
Como a reação é exotérmica, a diminuição da temperatura provoca um deslocamento de equilíbrio para a direita.
- Altas pressões
O aumento de pressão provoca contração de volume, o que desloca o equilíbrio para o lado direito, ou seja, para o lado de menor volume.
- Remoção do NH3 formado
Quanto mais intensa e rápida for a retirada do NH3, mais intensamente o equilíbrio será deslocado para
a direita. - Catalisador
Embora o catalisador não desloque o equilíbrio, ele aumenta a velocidade das reações, permitindo que o equilíbrio seja alcançado mais rapidamente.
A realização deste método permitiu o desenvolvimento de fertilizantes baratos e, consequentemente, possibilitou - e ainda hoje possibilita - a produção de alimentos à população mundial, para saber um pouco mais, Fertilizantes e a Produção de Alimentos.
Haber estava tentando descobrir o processo de Síntese da Amônia porque, naquele período, a Alemanha precisava, com urgência, produzir mais fertilizantes. Esta, aliás, era uma preocupação crescente na Europa desde a época do início da Revolução Industrial, no século XVIII, quando houve um aumento populacional.
As plantas são formadas principalmente por carbono (C), hidrogênio (H) e oxigênio (O), além de pequenas quantidades de outros elementos, entre eles nitrogênio (N), fósforo (P) e potássio (K). Estes três últimos são chamados de agentes limitantes, ou seja, não são encontrados em abundância na natureza, portanto, limitam a quantidade de plantas que nascem e crescem.
Para produzir mais alimentos por hectare de solo, deve-se enriquecê-lo com estes e outros elementos através de fertilizantes.
Figura 3: Plantas e seus elementos químicos.
Por outro lado, esta mesma descoberta foi utilizada na criação de explosivos, permitindo à Alemanha prolongar a Primeira Guerra Mundial.
guerra química do Ministério da Guerra da Alemanha, setor responsável pelo uso de certos gases durante a I Guerra Mundial, entre 1915 e 1917.
Os países europeus importavam salitre do Chile, um mineral rico em nitrato de potássio, e guano do Peru, literalmente cocô de aves acumulado ao longo de milhares de anos. Entretanto, a Inglaterra monopolizava o comércio destes produtos, colocando a Alemanha numa situação nem um pouco cômoda. E o país não podia depender dos ingleses para alimentar sua população.
Grande contribuição de Fritz Haber
A necessidade de se fazer, numa escala industrial, a síntese da amônia a partir do nitrogênio e do hidrogênio para transformá-la em nitrato esbarrava em um problema químico: era inviável produzir milhões de toneladas de um produto, trabalhando com pressões e temperaturas muito altas.
Para alcançar o sucesso seria necessário, além de conhecer bem o equilíbrio da reação, trabalhar em altas pressões. Isto significava dispor de reatores suficientemente resistentes e, para isso, era necessário ter aço, soldas e rebites resistentes, além de válvulas adequadas e outras itens importantes.
Haber montou um departamento de desenvolvimento de tecnologia de alta pressão especialmente para isso e contou com o apoio da empresa BASF que acreditou na possibilidade de realização do feito. Mas nada disto teria sido possível sem a ajuda de um químico industrial muito importante - Carl Bosch. Observe-se que o nome de Bosch aparece na Síntese da Amônia.
Com o apoio da indústria, Haber pesquisou e, em março de 1910, anunciou a Síntese da Amônia. Bosch levou o processo de Haber à escala industrial. Por sua participação nesta história, o processo industrial passou a ser chamado de “Haber-Bosch”. Bosch recebeu o prêmio Nobel de Química de 1931, dividindo-o cdividindo-om Friedrich Bergius peldividindo-os resultaddividindo-os que dividindo-obtiveram cdividindo-om métdividindo-oddividindo-os químicdividindo-os em altas pressões.
Significado da contribuição de Fritz Haber
A contribuição de Fritz Haber é enorme, a ponto de muitas pessoas considerarem a Síntese da Amônia a maior invenção do século XX. Para ter uma ideia de sua importância, basta dizer que a quantidade de nitrogênio disponibilizada pelos processos naturais seria suficiente para produzir alimentos a apenas 3,6 bilhões de pessoas. A população mundial em 2007 era de 6,6 bilhões de pessoas.
A maioria dos avanços no método de Haber está relacionada, principalmente, à eficiência dos catalisadores, mas o método em si é o mesmo desde 1913, quando a primeira fábrica de amônia pelo método Haber começou a funcionar.
Hoje, este método é responsável por 99% do nitrogênio inorgânico produzido no mundo, o equivalente a cerca de 130 milhões de toneladas de amônia por ano. Entretanto, Haber utilizou a Síntese da Amônia para outro feito, não tão sublime. Ele é apresentado a seguir.
Haber e a primeira Guerra Mundial
Fritz Haber comunicou aos generais alemães que estava disposto a trabalhar e testar, pessoalmente, as armas químicas. Ele teve intensa participação na orientação do exército alemão, trabalhando junto aos generais em sua posição de cientista e reservista.
Em 22 de abril de 1915, uma fumaça verde-amarelada venceu as tropas francesas na planície de Ypres. Era um agente químico, o gás cloro, lançado a partir de 5.730 cilindros de metal, cada um pesando 100 quilos, com cloro líquido, ao longo de 10 km de frente. Os soldados alemães que realizaram o ataque eram, na realidade, cientistas, liderados por Fritz Haber. Além do uniforme militar, eles usavam máscaras protetoras e ficaram conhecidos como o batalhão Pionierkommando 36. A fumaça levada pelo vento corroeu os pulmões dos soldados inimigos e os cegou. Resultado final do combate: 10 mil mortos e 5 mil feridos.
Com a ajuda de Fritz Haber, a Alemanha conseguiu prolongar a guerra, mas houve um contra-ataque e os aliados passaram a usar também gases químicos contra os alemães. Durante os quase cinco anos de conflito foram testados 22 agentes químicos diferentes. Cerca de quinze milhões de pessoas morreram na Primeira Guerra Mundial.
Haber, o prêmio Nobel e o nazismo
Fritz Haber ganhou o Nobel da Química de 1918, mas, devido à guerra, só recebeu o prêmio em 1920. Houve indignação na comunidade científica, pois muitos o consideravam um criminoso de guerra. Vários ganhadores daquele ano se recusaram a participar da cerimônia de entrega do prêmio em sinal de protesto pela escolha de Haber.
Em 1933, Adolf Hitler assumiu o poder na Alemanha. Com ele, tem início a maior barbárie da história da humanidade, que resultaria na morte de milhões de pessoas, entre elas, 6 milhões de judeus.
Haber foi para a Suíça e, pouco tempo depois, morreu de ataque cardíaco em um hotel da Basiléia. Foi no dia 29 de janeiro de 1934.
Haber era judeu. E de acordo com a política nazista, não havia espaço para os judeus na Alemanha. A única opção que restou a ele foi fugir do seu país. Morreu pouco tempo depois, deixando, porém, seu nome gravado na História.
Mas tanto o cientista como sua invenção se apresentaram ao mundo de duas formas bastante diferentes. Haber foi considerado herói e vilão. No caso da síntese da amônia, se por um lado, ela permitiu a fabricação de fertilizantes químicos nitrogenados sintéticos, alimentando bilhões de pessoas, por outro lado, gerou diversos efeitos colaterais que causaram um enorme impacto ambiental.
Além de ter permitido a produção de explosivos em larga escala, o que resultou na morte de milhões de pessoas, o nitrogênio produzido gerou um sistema onde os fertilizantes são utilizados de forma inadequada trazendo danos ao meio ambiente. Por exemplo, compostos de nitrogênio ajudam na formação das marés vermelhas, contribuem para a redução da biodiversidade e inutilizam água potável. O aumento do consumo de biocombustíveis produzidos a partir das plantas adubadas com fertilizantes nitrogenados implica no aumento dos problemas ambientais.
O que fazer, então?
Esta é uma pergunta ainda sem resposta. O mundo está aguardando que um novo cientista descubra uma solução para este problema.
Figura 4 - Foto de Fritz Haber de seu Prêmio Nobel (1918) cujo copyright expirou, estando em domínio público. A imagem é encontrada em http://en.wikipedia.org/wiki/File:Fritz_Haber.png
