תהליך הבר-בוש

פריץ הבר (1868–1934), המציא ופיתח את השיטה הסינתטית ליצירת אמוניה.

תהליך הבר-בוש (באנגלית: Haber–Bosch process) הוא תגובת קיבוע של גז חנקן עם גז מימן, על פני זרז המבוסס על תחמוצת ברזל. התהליך משמש לייצור תעשייתי של אמוניה והוא קרוי על שמם של פריץ הבר וקרל בוש, אשר המציאו ופיתחו את השיטה.

על תהליך ייצור האמוניה קיבל פריץ האבר את פרס נובל לכימיה לשנת 1918. כ-13 שנים אחר כך, בשנת 1931, קיבל שותפו, קארל בוש, את פרס נובל בכימיה, על תרומתו בפיתוח שיטות לעבודה בתנאי לחץ גבוה בעת שלבי התיעוש של תהליך ייצור האמוניה.

חשיבותו של התהליך

על אף ש-78.1% מהאוויר בכדור הארץ מורכב מחנקן, מולקולות החנקן קושרות את האטומים בקשר קוולנטי משולש חזק מאד והופכות אותו לבלתי נגיש יחסית. תהליך הבר-בוש, שפותח בראשית המאה ה-20, הצליח לרתום את שפע החנקן באטמוספירה כדי ליצור אמוניה, שהיא אחד מחומרי הגלם החשובים ביותר בתעשייה הכימית.

האמוניה משמשת לייצור של דשנים חנקתיים שלהן חשיבות אדירה בחקלאות העולמית. על פי הערכות עולה כי הדשנים המיוצרים מהאמוניה באמצעות תהליך הבר-בוש אחראיים לקיום שליש מאוכלוסיית העולם. עוד עולה, כי מחצית מהחלבונים המצויים בבני אדם יוצרו בעזרת חנקן שקובע באמצעות התהליך, והיתר יוצרו מחנקן שקיבעו בקטריות וחיידקים.

האמוניה היא חומר הגלם העיקרי בייצור חומצה חנקתית שלה שימושים רבים, בדגש על ייצור של חומרי נפץ לשימושים אזרחיים וצבאיים.

לפני גילוי תהליך הבר-בוש, קשה היה לייצר אמוניה בסדר גודל תעשייתי, ועל כן הייצור הסתמך כמעט בבלעדיות על כרייה של מלחי ניטראט (מלחים חנקתיים) שתפוצתן הנמוכה הקשתה מאד על השימוש באמוניה לצרכים המודרניים השונים.

התגובה הכימית

Oppau (כ-3 ק"מ מלודוויגסהאפן, גרמניה) - מפעל האמוניה הראשון בעולם, במהלך בנייתו, 1913. המפעל הוקם ותופעל על ידי חברת BASF.

עמודה להנזלת אוויר במפעל מודרני

התגובה הכימית ליצירת אמוניה בתהליך זה כוללת הגבה של מימן (H₂) וחנקן (N₂), ביחס מולי של שלוש מולקולות מימן על מולקולה אחת של חנקן. התגובה היא אקסותרמית מאוד, עם שינוי אנתלפיה של 45.8- קילוג'אול למול אמוניה (NH₃).

משוואת התגובה:

N₂ + 3H₂ → 2 NH₃

ΔH°= −91.8 kJ => ΔH° = −45.8 kJ·mol⁻¹

הכנת המגיבים

מפעל מודרני (של חברת Terra Nitrogen U.K) לייצור אמוניה ודשנים חנקתיים.

כל אחד מהמגיבים המשתתפים בתגובה חייב להיות בדרגת ניקיון גבוהה וזאת כדי למנוע תגובות לא רצויות שעשויות להתרחש בריאקטור הכימי ובכדי למנוע זיהום של הזרז שעלול להביא לפגיעה באופן הפעילות שלו.

• חנקן את גז החנקן מכינים על ידי הנזלה (Liquefacition) של אוויר. גז החנקן הוא חומר הגלם הזול ביותר בתהליך, שכן הוא מצוי באטמוספירית כדור הארץ בשיעור של כ-78%, אולם יש להפריד אותו מחלקיקים מרחפים ומגזים אחרים ומשאריות מים שנמצאות באוויר בצורה של אדים. הפעולה מבוצעת בכמה שלבים, תחילה, שואבים את האוויר דרך מערכות סינון גדולות שתפקידן להסיר חלקיקי אבק ופיח. בהמשך, האוויר עובר תהליכי קירור הדרגתיים במטרה להנזיל את הגזים השונים ובכך לבודד את החנקן. במהלך ההנזלה, מתקבלים תחילה מים, ובהמשך, פחמן דו-חמצני (78- מעלות צלזיוס מתחת לאפס), חנקן (196-), חמצן (218-), ארגון (189-). בתהליך זה מתקבלים גזים ברמת טוהר גבוהה יחסית, והם עשויים לעבור תהליכי טיהור נוספים על ידי העברתן דרך ממברנות מתאימות. בכל הגזים נעשה שימוש מסחרי. הפחמן דו-חמצני עשוי להימכר לתעשיית המזון בה הוא ישמש בתהליכי הייצור של משקאות תוססים. החמצן עשוי להימכר לתעשיות המתכת והכימיה האחרות או לצרכים רפואיים, והארגון עבור מפעלים אשר בתהליכי הייצור שלהן יש צורך ביצירת אטמוספירה אדישה כימית (אינרטית) וכן ליצרנים של נורות ליבון שם ישמש כגז מילוי ועוד.
• מימן כמעט בכל מפעלי האמוניה בעולם, ייצור המימן נעשה על ידי תגובה של מתאן (CH4) עם קיטור (H2O), על פני זרז המבוסס על ניקל, בטמפרטורות גבוהות של 700 עד 1100 מעלות צלזיוס. ולא באמצעות אלקטרוליזה של מים, אף על פי שתגובת האלקטרוליזה מספקת גז מימן ברמת טוהר גבוהה יותר ואשר אינה דורשת שלבי ניקוי וטיהור מקדימים או נוספים. הסיבה לכך, היא כלכלית, כיוון שתהליך האלקטרוליזה דורש שימוש באנרגיה חשמלית רבה. כאמור, בתגובה של גז המתאן עם הקיטור, מתקבלים מולקולות מימן (H2) ופחמן חד-חמצני (CO). בהמשך, הפחמן החד-חמצני מגיב עם קיטור נוסף לקבלת פחמן דו-חמצני (CO2). משוואות התגובה:

$\ CH_{4(g)}+H_{2}O_{(g)}\rightarrow CO_{(g)}+3H_{2(g)}$ שלב זה הוא מאד אנדותרמי (ΔH_r= 206 kJ/mol). ובהמשך:

$\ CO_{(g)}+H_{2}O_{(g)}\rightarrow CO_{2(g)}+H_{2(g)}$ שלב זה הוא מעט אקסותרמי (ΔH_r= -41 kJ/mol).

תהליכים אלו הם מהשלבים היקרים ביותר בייצור האמוניה, ולמעשה העלות הסופית לצרכן עבור האמוניה תלויה רבות במחיר חומר הגלם לייצור המימן, כלומר, תלויה בגז טבעי (שהוא המקור הכמעט בלעדי לגז המתאן) או במחירי דלקים מאובנים אחרים כגון נפט ופחם, מהם ניתן גם להפיק מתאן, בתהליכי זיקוק ופיצוח כימיים. תהליך ייצור המימן מהגז הטבעי, דורש שלבים מקדימים של טיהור הגז מתרכובות גופרית שעשויות להסב נזקים גדולים לזרזים ולפגיעה קשה ביעילות התגובה.

תנאי התגובה

התגובה ליצירת האמוניה מתרחשת בריאקטור בו המגיבים נמצאים בלחץ של 150 עד 300 אטמוספירות, ובטמפרטורה של 400 עד 500 מעלות צלזיוס. המגיבים מוזרמים בריאקטור בארבע תחנות ביניים המכילות זרזים. בכל תחנה מומרים כ-15% מהמגיבים לאמוניה, כך שבסיום התהליך כ-97% מהמגיבים הפכו לתוצר הסופי. מגיבים שלא הגיבו, ממוחזרים שוב אל הריאקטור.

הזרזים

הזרזים הנפוצים ביותר בתגובה מבוססים על תחמוצות ברזל (Fe₃O₄ ו-FeO) המועשר באשלגן חמצני (K₂O), סידן חמצני (CaO), צורן דו-חמצני (SiO₂) ואלומינה (Al₂O₃). לעיתים קרובות נעשה שימוש גם בזרזים מבוססים על רותיניום וונדיום.

תרשים תהליך ייצור האמוניה בתעשייה הכימית

ההתקן המקורי שישמש את הבר ליצירת אמוניה בפעם הראשונה במעבדה על ידי תגובה ישירה של גז מימן וחנקן.

ראו גם

• גרהרד ארטל - כימאי גרמני שבמחקריו תרם רבות להבנת מנגנוני תגובות כימיות (בדגש על תגובת הבר-בוש).
• חומצה חנקתית
• חומרי נפץ

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא תהליך הבר-בוש בוויקישיתוף

• תהליך הבר-בוש לייצור אמוניה, Royal Society of Chemistry
• תהליך הבר-בוש
• Ammonia (1973) ICI schools film UK industrial production