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La síntesis del amoniaco (II)

8 marzo, 2013

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Podría ser que ésta no sea la solución definitiva. Las bacterias del nitrógeno nos enseñan que la naturaleza, con sus sofisticadas formas de química de la materia viva, entiende y emplea métodos que aún no sabemos cómo imitar.

– Fritz Haber. Discurso de aceptación del Premio Nobel de Química 1918.

Sabemos que el nitrógeno es un componente esencial para la vida ya que forma parte, entre otros, de compuestos bioquímicos como las proteínas y los ácidos nucleicos. La incorporación del nitrógeno al ciclo bioquímico se realiza fundamentalmente por las plantas y, tal y como vimos en la primera parte de nuestra historia, la asimilación de nitrógeno por las plantas requiere que el nitrógeno se encuentre “fijado”, esto es, que se encuentre en formas de nitrógeno solubles, capaces de ser absorbidas a través de las raíces de las plantas (fundamentalmente amoniaco y nitratos).

También vimos que, a finales del siglo XIX, las fuentes de nitrógeno directamente utilizables como abono eran limitadas lo que hizo que se instalase en los círculos científicos de la época una creciente preocupación por el posible agotamiento de las reservas de abonos nitrogenados y, en consecuencia, una focalización en la investigación orientada a la obtención de compuestos nitrogenados de síntesis que proporcionaran una alternativa viable al salitre para que la agricultura fuera capaz de satisfacer las demandas de alimentos de una creciente población mundial en el siglo XX.

Naturalmente, la mayor fuente de nitrógeno disponible es el nitrógeno atmosférico y, sobre el papel, la obtención de amoníaco podría ser el resultado de una reacción química sencilla: se combinan nitrógeno gaseoso, procedente de la atmósfera, con hidrógeno gaseoso, que se puede obtener como gas de agua, en unas proporciones muy simples (o, como nos gusta decir a los químicos, con una estequiometría simple) y se obtiene amoníaco gaseoso.

Los componentes necesarios y las proporciones requeridas habían sido largamente estudiados durante el siglo XIX y eran sobradamente conocidos pero la reacción se resistía a materializarse en el laboratorio fundamentalmente debido a la baja reactividad del nitrógeno molecular. Resulta paradójico que el nitrógeno sea tan poco reactivo y, en cambio, los compuestos nitrogenados sean, frecuentemente, explosivos. En definitiva, los intentos fallidos de obtener amoniaco a través de esta simple reacción condujeron, a finales del siglo XIX, a considerarla como inviable.

El amoniaco sintético se obtenía por otras vías. Por ejemplo, una de las industrias surgidas al amparo de la revolución industrial, era la industria del gas de alumbrado o gas ciudad. El gas de alumbrado es una mezcla de gases combustibles (H2, CH4 y CO) y gases inertes (N2 y CO2) que se obtiene a partir de la destilación seca del carbón. Como subproducto de este proceso se obtenía amoniaco, generalmente en forma de sulfato amónico ((NH4)2SO4). Si bien inicialmente este subproducto se descartaba, hacia finales del siglo XIX se empezó a valorar su importancia y comenzó a utilizarse como abono. Incluso, llegó a plantearse la posibilidad de utilizar el proceso de destilación seca del carbón con el objetivo principal de obtener amoniaco.

Destilar carbón con el objetivo prioritario de obtener amoniaco era económica y técnicamente inviable. El nitrógeno contenido en el carbón raramente sobrepasa el 1% en peso y, a través del proceso de destilación, sólo se recupera una quinta parte de este nitrógeno. Por lo tanto, los rendimientos son muy bajos y la cantidad de carbón necesaria para satisfacer la demanda de compuestos nitrogenados era enorme.

En los albores del siglo XX se exploraron otras dos alternativas para la síntesis de amoniaco. La primera de ellas era la síntesis mediante descarga eléctrica que fue puesta en práctica por Kristian Birkeland en 1904. Esencialmente, el proceso consistía en generar una chispa eléctrica (arco) en una atmósfera con nitrógeno molecular y obtener nitrógeno fijado en forma de nitratos diluidos. Este proceso replica el proceso de fijación de nitrógeno que se produce, de forma natural, en la atmósfera terrestre durante las tormentas eléctricas. El problema principal que plantea este método es que requiere una gran cantidad de energía y que su rendimiento es muy bajo. Los requisitos energéticos son del orden de 60.000 kW por tonelada de nitrógeno fijado. Estos requisitos energéticos hicieron que la única experiencia viable de este mecanismo se planteara en Notodden (Noruega) donde, a principios del siglo XX, existía un excedente de energía eléctrica hidroeléctrica y una mano de obra barata.

La otra alternativa para la fijación de nitrógeno era la síntesis de cianuro cálcico ((CN)2Ca) obtenido a partir de la fijación de nitrógeno atmosférico por carburo cálcico que, a su vez, se obtenía a partir de caliza y carbón de coque. Este proceso requería la cuarta parte de energía que el obtenido por descarga eléctrica y el cianuro cálcico podía utilizarse directamente como abono. Sin embargo los requisitos energéticos seguían siendo demasiado altos.

En 1904, el químico alemán Fritz Haber, comenzó a estudiar la reacción entre nitrógeno e hidrógeno gaseosos para obtener directamente amoniaco y comprobó que en condiciones de presión normales y a 1.000ºC cuando la reacción alcanzaba el equilibrio se tenía una concentración de amoniaco, en la mezcla de gases, de un 0,012%. Este resultado llevó a Walther Nernst, en aquel entonces, uno de los químicos más eminentes de Alemania, a afirmar que la síntesis de amoníaco, a partir de sus componentes fundamentales, era inviable. Haber, sin embargo, no se dio por vencido y comenzó a experimentar la reacción en condiciones diferentes de presión y temperatura y empleando distintos catalizadores. Finalmente, en 1908 Haber fue capaz de sintetizar cantidades significativas de amoniaco mezclando nitrógeno e hidrógeno a 200 atmósferas de presión y 550ºC de temperatura empleando un catalizador de Osmio.

En 1909 Haber, después de patentar el proceso, se puso en contacto con BASF que envió un equipo de ingenieros, liderado por Karl Bosch para presenciar una demostración del proceso en el laboratorio. Una vez negociados los derechos, Bosch fue encargado por BASF de la industrialización del proceso. El reto técnico al que se enfrentó Bosch fue enorme ya que, en aquel entonces, en los procesos industriales se consideraba que presiones superiores a 50 bares y temperaturas de 250ºC se consideraban los límites técnicos y la síntesis de amoniaco necesitaba presiones de 150 bares y temperaturas de 500ºC. El resultado del desarrollo técnico de Bosch fue la planta de Oppau inaugurada en 1913.

Para que nos podamos hacer una idea de lo que representó el proceso de Haber-Bosch basta proporcionar unas cifras: la obtención de amoniaco mediante descargas eléctricas requiere unos 7.200 kJ/tonelada de nitrógeno, cuando se emplea el proceso de obtención de cianuro cálcico los requisitos energéticos son de unos 1.800 kJ/tonelada de nitrógeno y el proceso de Haber-Bosch en Oppau demandaba algo menos de 650 kJ/tonelada de nitrógeno.

Como resultado de sus aportaciones Fritz Haber recibió el Premio Nobel de Química en 1918 y Karl Bosch lo recibiría en 1923. La planta de Oppau estuvo en producción durante unos cuantos años hasta que en 1921 una explosión de un silo de nitrato amónico se llevó por delante el 80% de los edificios de la ciudad y entre 600 y 700 vidas (los nitratos son explosivos). La potencia de la explosión se estima que fue equivalente a entre 1 y 2 kilotones de TNT y cuentan que pudo oírse en Münich a 300 Km de distancia.

Me gustaría terminar esta historia comentando que, probablemente en unas decenas de años, la química tenga un reto similar al que enfrentó Haber pero esta vez el recurso escaso y estratégico es el fósforo. Las fuentes naturales de fósforo se están convirtiendo en estratégicas y será necesario desarrollar métodos que permitan liberar el fósforo que, en forma de fosfatos insolubles, se encuentra en la mayor parte de los suelos calizos. Probablemente, en relación al nitrógeno también sea necesario explorar otras vías como pueden ser las indicadas, hace casi un siglo, por Fritz Haber.


  1. 8 marzo, 2013 en 10:08

    El resultado del desarrollo técnico de Bosch fue la planta de Oppau inaugurada en 2013.

    ¿No hay un error en la fecha?

  2. Masklin
    8 marzo, 2013 en 10:08

    Muy buen final e interesante artículo. Gracias.

  3. 8 marzo, 2013 en 10:43

    Muy interesante. Creo que “Javi” tiene razón, debe haber un error en la fecha de la inauguración de la planta de Oppau.

  4. 8 marzo, 2013 en 12:03

    Javi y Mario tenéis razón, el año correcto es 1913. Procedo a corregirlo.

  5. 8 marzo, 2013 en 14:21

    Por lo demas, muy buen articulo. Te hace darte cuenta de la enorme importancia que tiene algo que, para el ciudadano de a pie, suena a hobby de frikies: sintesis del amoniaco.

  6. 13 marzo, 2013 en 13:45

    el artículo es genial, echo en falta los inconvenientes derivados, como los fertilizantes nitrogenados y sus efectos sobre el medio ambiente.

  7. 13 marzo, 2013 en 14:25

    Esteban, en primer lugar gracias por tu comentario. Cuando hablas de inconvenientes entiendo que hablas de los efectos del empleo excesivo de abonos nitrogenados en los cultivos.

    Mi opinión personal, en este aspecto, es que las soluciones de abonado (y, en general, los productos fitosanitarios) deberían estar sujetas a un tipo de regulación similar a la de, por ejemplo, los productos farmacéuticos. La solución de abonado debería ser determinada por un experto en función del tipo de suelo, cultivo, clima, etc. Y, a lo mejor, no es descabellado el pensar que debería existir una especie de “receta” para la compra de estos productos.

    El sobreabonado o el abonado con productos inadecuados es un problema medioambiental además de económico pero es, en cierta medida, un problema similar al abuso de los antibióticos.

    Por supuesto, esto seguirá siendo un problema hasta que consigamos engañar a las plantas con abonados homeopáticos que realmente sólo contengan agua. 😉

  8. 13 marzo, 2013 en 22:08

    Tienes toda la razón, he mezclado churras con medinas. Gracias.

  9. Cronopio
    14 marzo, 2013 en 0:35

    @ dotorquantico. Cuando dices:

    “Por supuesto, esto seguirá siendo un problema hasta que consigamos engañar a las plantas con abonados homeopáticos que realmente sólo contengan agua.”

    Te respondo: Eso YASTAINVENTAÚ. O no habéis oído hablar de la agricultura biodinámica? de un tal Steiner, de los cuernos de vaca, la antroposfía y la madre que los trujo?
    Y también mueven pasta gansa con el timo:
    http://www.directoalpaladar.com/enologia/la-estafa-de-la-agricultura-biodinamica-antroposfia-agricola-en-bruselas

    Y para echar unas risas (por no llorar)
    http://es.wikipedia.org/wiki/Agricultura_biodin%C3%A1mica

    Como apunte final, este párrafo sacado de una giliweb que no pienso publicitar:
    “También se utilizan composts especiales con preparados homeopáticos y biodinámicos para aumentar la fertilidad y controlar las plagas de forma natural. Tanto la cosecha como la recolección se realizan de forma manual.”

    Estamos rodeados.

  10. 14 marzo, 2013 en 7:36

    Pues sí, estamos rodeados. Mientras el primer mundo se permite utilizar tierras de cultivo para obtener cosechas de muy baja productividad empleando métodos y técnicas del siglo XVIII ya que puede permitirse comprar alimentos en caso de baja producción (plagas, sequías, etc.) en el tercer mundo, en la segunda década del siglo XXI, se sigue pasando hambre.

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