تولید آمونیاک در صنعت؛ واکنش گازی فریتس هابر در شیمی دهم

آمونیاک یکی از مهم‌ترین ترکیب‌هایی است که هر روز در صنایع مختلف، به‌ویژه تولید کودهای شیمیایی، استفاده می‌شود. اما پشت این ماده ساده، واکنشی پیچیده و مهندسی‌شده میان دو گاز نسبتاً بی‌اثر (نیتروژن و هیدروژن) قرار دارد. این واکنش که با نام «فرآیند هابر» شناخته می‌شود، نه‌تنها در صنعت اهمیت زیادی دارد، بلکه یکی از مفاهیم کلیدی در فصل دو شیمی دهم نیز به شمار می‌رود.

در این مقاله، دقیقاً همان چیزی را بررسی می‌کنیم که در کلاس درس به دنبالش هستید: چرا نیتروژن با اینکه در هوا فراوان است، به‌سختی وارد واکنش می‌شود؟ فریتس هابر چطور این مانع را دور زد؟ نقش دما، فشار و کاتالیزگر در این واکنش چیست؟ و چگونه آمونیاک را از مخلوط واکنش جدا می‌کنند؟ همه این پرسش‌ها را با زبانی ساده و علمی بررسی می‌کنیم.

اگر دانش‌آموز پایه دهم هستید و می‌خواهید هم در امتحان و هم در درک مفاهیم عملکرد خوبی داشته باشید، این مقاله از سایت تدریس شیمی متین هوشیار دقیقاً همان جایی است که باید از آن شروع کنید.

چرا نیتروژن در هوا واکنش نمی‌دهد؟ بررسی ویژگی‌های گاز N₂

شاید عجیب به نظر برسد، اما با وجود اینکه تقریباً ۸۰ درصد هوای اطراف ما از گاز نیتروژن تشکیل شده، این گاز در بیشتر واکنش‌های شیمیایی شرکت نمی‌کند. برخلاف اکسیژن که تمایل زیادی به واکنش‌پذیری دارد و در سوختن، زنگ‌زدن و بسیاری از فرآیندهای دیگر نقش دارد، نیتروژن رفتاری کاملاً متفاوت دارد. این تفاوت، کلید درک یکی از مهم‌ترین واکنش‌های صنعتی شیمی یعنی تولید آمونیاک است.

در این بخش، با ویژگی‌های گاز نیتروژن آشنا می‌شویم و بررسی می‌کنیم که چرا این گاز در هوا نسبتاً بی‌اثر باقی می‌ماند. همچنین خواهیم دید که چگونه همین ویژگی‌ها باعث کاربردهای جالبی مانند استفاده از نیتروژن در باد لاستیک خودرو می‌شود.

گاز نیتروژن چه ویژگی‌هایی دارد و چرا به آن «بی‌اثر» می‌گویند؟

نیتروژن گازی بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است. اما مهم‌تر از همه این‌ها، نیتروژن در دمای اتاق و فشار معمولی تقریباً با هیچ ماده‌ای وارد واکنش نمی‌شود. به همین دلیل به آن لقب «گاز بی‌اثر» داده‌اند. این لقب از آن جهت نیست که اصلاً واکنش نشان نمی‌دهد، بلکه به این خاطر که شرایط واکنش دادن آن بسیار خاص و دشوار است.

دلیل این رفتار به ساختار مولکولی نیتروژن برمی‌گردد. دو اتم نیتروژن در مولکول N₂ با یک پیوند سه‌گانه قوی به هم متصل‌اند. این پیوند بسیار محکم است و برای شکستن آن نیاز به انرژی بالایی داریم. در نتیجه، نیتروژن در شرایط معمول تمایلی به وارد شدن به واکنش‌های شیمیایی ندارد.

تفاوت نیتروژن با اکسیژن در واکنش‌پذیری چیست؟

برای درک بهتر، بیایید نیتروژن را با اکسیژن مقایسه کنیم. اکسیژن در مولکول O₂ دارای پیوند دوگانه است که نسبت به پیوند سه‌گانه نیتروژن، ضعیف‌تر و واکنش‌پذیرتر است. همین ویژگی باعث می‌شود اکسیژن به‌راحتی در فرآیندهایی مثل سوختن یا زنگ‌زدن شرکت کند.

در حالی‌که مولکول نیتروژن (N₂) برای شکستن پیوندهایش، نیاز به انرژی بیشتری دارد، اکسیژن به‌سرعت می‌تواند واکنش دهد. به‌همین خاطر است که در هوای معمولی، اکسیژن فعال و واکنش‌پذیر است، ولی نیتروژن بیشتر نقش یک همراه بی‌سر و صدا را دارد.

چرا برای باد لاستیک از نیتروژن استفاده می‌کنند؟

احتمالاً دیده‌اید که بعضی جایگاه‌ها به جای هوا، لاستیک خودروها را با نیتروژن پر می‌کنند. دلیل این کار مستقیماً به همان بی‌اثر بودن نیتروژن مربوط می‌شود. چون نیتروژن به‌سختی با مواد شیمیایی واکنش می‌دهد، در برابر تغییرات دما و فشار هم پایدارتر باقی می‌ماند.

این ویژگی باعث می‌شود که فشار باد لاستیک در طول زمان، کمتر تغییر کند و لاستیک در شرایط مختلف جاده‌ای، عملکردی یکنواخت‌تر و ایمن‌تر داشته باشد. همچنین، چون نیتروژن رطوبت کمتری دارد، احتمال زنگ‌زدگی داخلی رینگ و ولو کمتر می‌شود.

از پیوند سه‌گانه تا واکنش‌پذیری؛ نگاهی به ساختار لوویس گاز N₂

یکی از مفاهیم کلیدی در شیمی دهم، درک ارتباط بین ساختار مولکولی یک ماده و رفتار شیمیایی آن است. مولکول گاز نیتروژن (N₂) مثال واضحی از این ارتباط است. هرچه پیوند میان اتم‌ها قوی‌تر باشد، واکنش دادن آن مولکول سخت‌تر خواهد بود. در مورد نیتروژن، این موضوع به‌وضوح دیده می‌شود.

با نگاه به ساختار لوویس مولکول N₂، می‌توان علت بی‌اثر بودن آن را به‌خوبی توضیح داد. در ادامه بررسی می‌کنیم این ساختار چه اطلاعاتی به ما می‌دهد و چرا نیتروژن یکی از پایدارترین گازهای موجود در هواست.

ساختار لوویس گاز نیتروژن چه چیزی را نشان می‌دهد؟

ساختار لوویس نمایی از نحوه قرارگیری الکترون‌ها در اطراف اتم‌ها و نوع پیوند میان آن‌هاست. در مورد گاز نیتروژن، ساختار لوویس نشان می‌دهد که دو اتم نیتروژن با سه جفت الکترون اشتراکی به یکدیگر متصل شده‌اند. این یعنی بین آن‌ها یک پیوند سه‌گانه کووالانسی وجود دارد.

این پیوند سه‌گانه شامل یک پیوند سیگما و دو پیوند پای (π) است که همگی انرژی بالایی برای شکستن نیاز دارند. بنابراین، اگرچه مولکول N₂ از دو اتم ساده تشکیل شده، اما ساختار لوویس آن، قدرت پیوندی بسیار بالایی را نشان می‌دهد.

چرا شکستن پیوندهای نیتروژن دشوار است؟

دلیل اصلی دشواری واکنش نیتروژن در شرایط معمول، همین پیوند سه‌گانه‌ی قوی است. برای اینکه مولکول نیتروژن بتواند در یک واکنش شیمیایی شرکت کند، باید ابتدا این پیوندها شکسته شوند. اما شکستن چنین پیوندی به مقدار زیادی انرژی نیاز دارد.

در دمای اتاق، این مقدار انرژی معمولاً فراهم نمی‌شود. به همین دلیل است که نیتروژن در محیط‌های عادی واکنش‌پذیر نیست. تنها زمانی که فشار بالا، دمای بالا یا حضور کاتالیزگر مناسب فراهم شود (مثل شرایط واکنش هابر) می‌توان این پیوند را شکست و نیتروژن را وارد واکنش کرد.

فریتس هابر و راهی برای ساخت آمونیاک؛ آغاز یک انقلاب صنعتی

ساخت آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن تا پیش از قرن بیستم، بیشتر یک آرزوی علمی بود. از یک سو، نیتروژن به‌سختی وارد واکنش میشد و از سوی دیگر، نیاز شدید صنایع کشاورزی و جنگی به ترکیبات نیتروژن‌دار روز به روز افزایش می‌یافت.

در این شرایط، فریتس هابر، شیمی‌دان آلمانی، واکنشی را طراحی کرد که توانست نیتروژن بی‌اثر را با هیدروژن ترکیب کند و از دل این فرآیند، ماده‌ای مفید و پرکاربرد به نام آمونیاک به‌دست آورد. این واکنش، پایه‌گذار یکی از مهم‌ترین دستاوردهای شیمی صنعتی شد و تا امروز نیز، اساس تولید جهانی آمونیاک به شمار می‌رود.

اما این واکنش ساده نبود. باید فشار، دما و شرایط خاصی فراهم میشد. در ادامه می‌خوانید که این فرآیند دقیقاً چگونه اتفاق افتاد و چه چالش‌هایی پیش روی آن بود.

فریتس هابر چگونه توانست آمونیاک تولید کند؟

هابر توانست گاز نیتروژن (N₂) و گاز هیدروژن (H₂) را در شرایطی خاص با هم ترکیب کند. نتیجه این واکنش، تشکیل آمونیاک (NH₃) بود.
اما نکته مهم اینجاست: این واکنش در دمای بالا، فشار بالا و حضور یک کاتالیزگر خاص انجام می‌شود.

فرمول واکنش به‌صورت زیر است:

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

علامت ⇌ نشان می‌دهد که واکنش برگشت‌پذیر است؛ یعنی آمونیاک می‌تواند دوباره به نیتروژن و هیدروژن تجزیه شود. بنابراین، باید شرایط واکنش به‌گونه‌ای تنظیم شود که تعادل به سمت تولید آمونیاک حرکت کند.

هابر با استفاده از دمای حدود ۴۵۰ درجه سلسیوس، فشار حدود ۲۰۰ اتمسفر و یک کاتالیزگر فلزی، این تعادل را به نفع آمونیاک تغییر داد.

چه چالشی در واکنش نیتروژن و هیدروژن وجود داشت؟

مهم‌ترین چالش در این واکنش، شکستن پیوند سه‌گانه قوی بین اتم‌های نیتروژن بود. همان‌طور که در بخش قبل دیدید، نیتروژن به‌طور طبیعی بسیار پایدار است. برای شکستن این پیوند، باید انرژی زیادی به واکنش وارد میشد.

اما استفاده از دمای بسیار بالا می‌توانست مشکلی دیگر ایجاد کند:
دمای زیاد، واکنش را سریع‌تر می‌کند ولی تعادل را به سمت تجزیه آمونیاک می‌برد.
پس هابر باید بین سرعت و بازده واکنش، تعادل ایجاد می‌کرد.

او با استفاده از فشار بالا، توانست مقدار بیشتری آمونیاک تولید کند و این چالش را تا حد زیادی کنترل نماید.

چرا آهن به‌عنوان کاتالیزگر استفاده شد؟

در واکنش‌های شیمیایی، کاتالیزگر ماده‌ای است که سرعت واکنش را بالا می‌برد، بدون آنکه خودش مصرف شود. در فرآیند هابر، از فلز آهن به‌عنوان کاتالیزگر استفاده شد.

آهن این توانایی را دارد که مولکول‌های نیتروژن و هیدروژن را روی سطح خود جذب کند و انرژی لازم برای شکستن پیوندهای آن‌ها را کاهش دهد. این باعث می‌شود واکنش در دمای نسبتاً پایین‌تری انجام شود و سرعت آن نیز افزایش یابد.

همچنین، آهن به‌راحتی در دسترس و نسبتاً ارزان است؛ بنابراین برای استفاده صنعتی گزینه‌ای مناسب به شمار می‌آید.

بررسی واکنش برگشت‌پذیر در تولید آمونیاک صنعتی

در دنیای شیمی، بعضی واکنش‌ها فقط در یک جهت پیش می‌روند، اما بعضی دیگر می‌توانند در هر دو جهت انجام شوند. به این دسته دوم، واکنش‌های برگشت‌پذیر می‌گویند.
تولید آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن، یک واکنش برگشت‌پذیر است.
این یعنی آمونیاکی که ساخته می‌شود، می‌تواند دوباره به مواد اولیه‌اش تبدیل شود. این موضوع، هم یک چالش برای صنعت است و هم یک فرصت برای یادگیری مفاهیم تعادل شیمیایی.

در این بخش، دقیق‌تر بررسی می‌کنیم که برگشت‌پذیر بودن این واکنش چه معنایی دارد و چگونه با تنظیم فشار و دما می‌توان مقدار بیشتری آمونیاک تولید کرد.

واکنش آمونیاک برگشت‌پذیر است؟ یعنی چه؟

در واکنش برگشت‌پذیر، مواد اولیه به فرآورده‌ها تبدیل می‌شوند، اما فرآورده‌ها هم می‌توانند دوباره به مواد اولیه برگردند.
در واکنش هابر:

N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

علامت ⇌ نشان می‌دهد که این واکنش دوطرفه است. یعنی در کنار ساختن آمونیاک، مقداری از آمونیاک هم ممکن است دوباره به نیتروژن و هیدروژن تجزیه شود.

در چنین واکنش‌هایی، اگر شرایط محیط (مثل دما یا فشار) تغییر کند، تعادل واکنش هم جابه‌جا می‌شود. هدف در صنعت این است که تعادل را طوری تنظیم کنیم که مقدار بیشتری آمونیاک در سیستم باقی بماند.

چگونه شرایط فشار و دما واکنش را به سود آمونیاک تغییر می‌دهند؟

طبق قانون لوشاتلیه، اگر شرایط یک سیستم در حال تعادل تغییر کند، واکنش طوری پیش می‌رود که با آن تغییر مقابله کند. در واکنش تولید آمونیاک، تعداد مول‌های گاز در سمت چپ بیشتر است (۴ مول) و در سمت راست کمتر (۲ مول). بنابراین:

• افزایش فشار باعث می‌شود تعادل به سمت کاهش حجم گازها برود، یعنی به سمت تولید آمونیاک.
• از طرفی، واکنش آمونیاک گرمازا است؛ یعنی هنگام تولید آمونیاک، گرما آزاد می‌شود. پس:
• کاهش دما، تعادل را به سمت تولید آمونیاک سوق می‌دهد.
• اما دمای خیلی پایین، سرعت واکنش را کاهش می‌دهد.

در نتیجه، در صنعت از یک تعادل بین فشار بالا، دمای نسبتاً بالا و استفاده از کاتالیزگر استفاده می‌شود تا هم سرعت خوب باشد و هم بازده تولید آمونیاک بالا برود.

جداسازی آمونیاک از مخلوط واکنش؛ نقش نقطه جوش در مهندسی شیمی

وقتی نیتروژن و هیدروژن با هم واکنش می‌دهند، آمونیاک به‌صورت گاز تولید می‌شود. اما چون این واکنش برگشت‌پذیر است، اگر آمونیاک در مخلوط باقی بماند، ممکن است دوباره به نیتروژن و هیدروژن تبدیل شود.
پس یک سؤال مهم پیش می‌آید:
چطور می‌توان آمونیاک را از مخلوط جدا کرد تا بازده واکنش بالا برود؟

در صنعت، برای این کار از یک اصل مهم فیزیکی استفاده می‌شود: تفاوت نقطه جوش مواد مختلف. در ادامه بررسی می‌کنیم که نقطه جوش آمونیاک چه ویژگی خاصی دارد و چگونه به کمک آن، آمونیاک را از بقیه گازها جدا می‌کنند.

نقطه جوش آمونیاک چه تفاوتی با گازهای دیگر دارد؟

نقطه جوش، دمایی است که در آن یک ماده از حالت مایع به گاز تبدیل می‌شود یا بالعکس. این ویژگی به ما می‌گوید که یک ماده در چه دمایی قابل میعان یا تقطیر است.

در مقایسه با نیتروژن و هیدروژن، آمونیاک نقطه جوش بسیار بالاتری دارد:

• هیدروژن: حدود منفی 253 درجه سلسیوس
• نیتروژن: حدود منفی 196 درجه سلسیوس
• آمونیاک: حدود منفی 33 درجه سلسیوس

همان‌طور که می‌بینید، آمونیاک خیلی زودتر از دو گاز دیگر مایع می‌شود. این تفاوت، کلید روش جداسازی آن در صنعت است.

چگونه از تفاوت نقطه جوش‌ها برای جداسازی استفاده می‌شود؟

در انتهای واکنش تولید آمونیاک، مخلوطی از گاز نیتروژن، گاز هیدروژن و بخار آمونیاک به‌دست می‌آید. برای جدا کردن آمونیاک، این مخلوط را سرد می‌کنند. با کاهش دما:

• اول آمونیاک که نقطه جوش بالاتری دارد، به مایع تبدیل می‌شود.
• نیتروژن و هیدروژن چون نقطه جوش بسیار پایینی دارند، همچنان در حالت گاز باقی می‌مانند.

در این حالت، آمونیاک مایع را به‌راحتی می‌توان از سیستم خارج کرد و گازهای باقیمانده را دوباره وارد چرخه واکنش کرد. این روش، هم ساده است و هم به صرفه.
به همین دلیل، جداسازی بر اساس نقطه جوش‌ها یکی از کاربردهای مهم مهندسی شیمی در تولید صنعتی آمونیاک به شمار می‌رود.

نمای تولید آمونیاک در صنعت؛ تحلیل تصویری فرآیند هابر

برای درک بهتر واکنش تولید آمونیاک، نگاه کردن به تصویر خط تولید صنعتی آن بسیار مفید است. این تصویر نه‌تنها مسیر کلی واکنش را نشان می‌دهد، بلکه به ما کمک می‌کند نقش هر دستگاه و فرایند را در تولید آمونیاک بشناسیم.

از ورود گازهای اولیه گرفته تا جداسازی نهایی آمونیاک، همه‌چیز طبق اصول مهندسی شیمی طراحی شده تا این واکنش برگشت‌پذیر با بیشترین بازده انجام شود.

در این بخش، مرحله‌به‌مرحله اجزای تصویر را بررسی می‌کنیم و با منطق پشت طراحی آن آشنا می‌شویم.

هر بخش از دستگاه تولید آمونیاک چه کاری انجام می‌دهد؟

نمای تولید آمونیاک معمولاً از چند بخش اصلی تشکیل شده که به ترتیب زیر عمل می‌کنند:

1. ورودی گازها: ابتدا گاز نیتروژن (N₂) و گاز هیدروژن (H₂) به نسبت مناسب وارد سیستم می‌شوند. این نسبت باید دقیق باشد (۱ به ۳) تا واکنش درست انجام شود.
2. کمپرسور (افزایش فشار): چون واکنش در فشار بالا بازده بیشتری دارد، گازهای ورودی ابتدا تحت فشار زیاد قرار می‌گیرند. این کار توسط کمپرسور انجام می‌شود.
3. راکتور (محفظه واکنش): گازهای فشرده شده وارد راکتور حاوی کاتالیزگر آهن می‌شوند. در اینجا واکنش برگشت‌پذیر رخ می‌دهد و مقداری آمونیاک تولید می‌شود.
4. خنک‌کننده (سردسازی): بعد از واکنش، مخلوط گازی به قسمت خنک‌کننده منتقل می‌شود. در این مرحله، فقط آمونیاک به‌صورت مایع جدا می‌شود چون نقطه جوش آن بالاتر است.
5. بازیافت گازها: نیتروژن و هیدروژن باقیمانده که واکنش نداده‌اند، دوباره به چرخه بازمی‌گردند تا در واکنش بعدی شرکت کنند.

این سیستم بسته و پیوسته، باعث می‌شود مواد اولیه هدر نروند و بازده تولید آمونیاک افزایش یابد.

چرا مهندسی طراحی این سیستم اهمیت دارد؟

تولید آمونیاک فقط یک واکنش شیمیایی ساده نیست؛ بلکه یک فرآیند مهندسی‌شده دقیق و هوشمندانه است.
هر بخش از دستگاه باید طوری طراحی شود که:

• شرایط دمای مناسب، فشار بالا و حضور کاتالیزگر همزمان تأمین شود.
• زمان واکنش کوتاه اما مؤثر باشد تا انرژی کمتری مصرف شود.
• آمونیاک به‌سرعت جدا شود تا واکنش معکوس به‌حداقل برسد.
• بازیافت گازهای واکنش‌نداده به‌صورت خودکار و بهینه انجام شود.

بدون این طراحی مهندسی، واکنش نیتروژن و هیدروژن به‌تنهایی بازده کمی خواهد داشت.
در واقع، همان‌قدر که علم شیمی در این فرآیند مهم است، مهندسی شیمی هم نقش حیاتی دارد تا از این واکنش برگشت‌پذیر، محصولی اقتصادی و قابل استفاده به‌دست آید.

جمع‌بندی مفاهیم شیمی دهم درباره تولید آمونیاک در صنعت

تولید آمونیاک، یکی از کاربردی‌ترین مثال‌های واکنش گازها در صنعت است که در فصل دوم شیمی دهم به‌طور کامل بررسی می‌شود. در این مقاله دیدیم که چرا گاز نیتروژن با وجود فراوانی در هوا، بسیار کم‌واکنش است؛ دلیل آن پیوند سه‌گانه‌ای است که میان اتم‌هایش وجود دارد و انرژی بالایی برای شکستن نیاز دارد. همین ویژگی باعث شده نیتروژن به‌عنوان گازی «بی‌اثر» شناخته شود و در مواردی مثل باد لاستیک، کاربرد داشته باشد.

با بررسی ساختار لوویس نیتروژن، به نقش این پیوندهای قوی در واکنش‌ناپذیری پی بردیم. سپس فهمیدیم چگونه فریتس هابر توانست با طراحی واکنش در شرایط خاص (دمای بالا، فشار بالا و استفاده از کاتالیزگر آهن) مقدار قابل توجهی آمونیاک تولید کند.

همچنین به ماهیت برگشت‌پذیر بودن واکنش پی بردیم و بررسی کردیم که چگونه با تنظیم فشار و دما، می‌توان تعادل را به‌سوی تولید بیشتر آمونیاک هدایت کرد. در نهایت، دانستیم که برای جلوگیری از برگشت واکنش، آمونیاک با استفاده از تفاوت نقطه جوش‌ها به‌سرعت از مخلوط واکنش جدا می‌شود. این فرآیند به مهارت مهندسی شیمی و طراحی دقیق سیستم نیاز دارد.

به این ترتیب، مفاهیمی که شاید در نگاه اول جدا از هم به نظر برسند (مثل ساختار لوویس، کاتالیزگر، واکنش برگشت‌پذیر و نقطه جوش) در کنار هم قرار می‌گیرند تا تصویری روشن و علمی از یکی از مهم‌ترین واکنش‌های صنعتی دنیای امروز بسازند.

سعید نوراللهی