6. Зародження і розвиток азотної промисловості як однієї з основних галузей хімічної промисловості

6.1. Загальні зауваження відносно розвитку хімічної промисловості

Хімічні процеси є невід’ємними процесами існування всесвіту – його неживої й живої матерії. Знайомство людини з хімічними процесами мало місце з незапам’ятних часів. Спочатку людина в своїй діяльності, користуючись тільки даними практики, застосовувала такі хімічні процеси, як виготовлення керамічних виробів (амфори, макітри, глечики, цегла та ін.), виплавка кольорових металів (бронзовий вік) і далі виплавка заліза (залізний вік). Як відомо, виплавляти залізо людина навчилась близько VIII ст. до нашої ери, а бронзу ще раніше.

У подальшому постійні потреби людини в нових конструкційних матеріалах (особливо металів та їх сплавів), необхідних для виготовлення механізмів, машин, апаратів і споруд, стимулювали розвиток хімії й хімічної технології, піднімали рівень знань у людей у цій області.

Далі потреби людини в підвищеній урожайності полів викликали необхідність розвивати хімію й хімічну технологію виробництва добрив, гербіцидів та інсектицидів.

Потреби людства в лікувальних препаратах викликали необхідність розвитку хіміко-фармацевтичної та мікробіологічної промисловості.

Текстильна промисловість спонукала до випуску фарбників і штучних волокон. І, зрештою, вже ХХ ст. відзначилась швидкими темпами розвитку «побутова» хімія, особливо виробництво миючих засобів (мило, шампунь та ін.).

Хімія й хімічна технологія крокують поряд з нами все наше життя. У народі кажуть, що «хімія навкруги нас і в нас самих».

Кожний із напрямків розвитку хімії й хімічної промисловості має свою історію розвитку. Немає можливості тут розглянути всі ці напрямки, тим більше, що вони постійно розширюються.

6.2. Зародження азотної промисловості

Розглянемо це питання як приклад історичного розвитку конкретного напрямку хімії та хімічної промисловості.

Після відкриття Кавендишем у 1781 р. явища утворення оксидів азоту під дією електричного розряду в повітрі робились багаторазові спроби застосувати цей процес на практиці. Перший патент на спосіб одержання оксидів азоту за допомогою електричного розряду в повітрі й перетворення одержаних оксидів азоту в нітрати й нітрити належить французькій дослідниці Лефебр.

У кінці XIX ст. у зв’язку з розвитком будівництва гідроелектростанцій з’явилась можливість одержання дешевої електроенергії, що створювало реальні передумови й для фіксації атмосферного азоту. Відзначаючи ці можливості, К.А. Тимирязєв (російський вчений ґрунтознавець) говорив: «Ми, мабуть, знаходимося напередодні капітального перевороту в землеробстві, одержання найважливішого із добрив прямо з повітря, де тільки знайдеться дешеве джерело енергії. Це буде один із вражаючих результатів наукової творчості, утворюючого цінності з нічого…».

У 1902 р. біля Ніагарського водоспаду був споруджений завод із фіксації атмосферного азоту за допомогою електричної дуги, виникаючої під час пропускання між електродами струму напругою 8000В і силою струму 0,75А у печі конструкції Бредлея і Ловджоя. Через недосконалість конструкції печі, в якій знаходилось 185 дугових контактів, і великої витрати електроенергії цей завод був закритий у 1904 р.

Більш досконалими печами, що знайшли широке розповсюдження в Норвегії, були печі Биркеленда й Ейде, відмінною особливістю яких є застосування магнітів для створення електричної дуги у вигляді диска великого діаметра, через який проходило повітря. Перші розроблені ними установки почали діяти в 1904 р.

Дуговий процес ґрунтується на реакції:

N₂+O₂=2NO

У 1907…1909 рр. А.І. Горбов і В.Ф. Миткевич запропонували оригінальну конструкцію печі для окислення азоту киснем. Особливістю цієї печі є лійкоподібна форма полум’я електричної дуги. Проходячи піч, повітря витягувало дугу до утворення нею лійки і тісно контактувало з полум’ям, завдяки чому досягався високий вихід оксиду азоту. Шляхом швидкого охолодження газового потоку в холодильнику, розташованому зразу після печі, здійснювалось загартування NO без значного його розкладу. У газі після синтезу вдалось одержати до 2,5% оксиду азоту.

А.І. Горбов розробив також три основних способи одержання водню – взаємодією алюмінію, кремнію й гідриду кальцію з водою.

Дуговий спосіб зв’язування атмосферного азоту розвивався аж до 1925 р., далі він був витиснутий іншими більш економічними способами.

Паралельно з розробкою дугового методу фіксації атмосферного азоту проводились дослідження з фіксації азоту через ціанамід кальцію CaCN₂, відкритий у 1878 р. Мейєром.

У 1895 р. Франк і Каро встановили, що карбід кальцію за високої температури поглинає азот з утворенням ціанаміду кальцію:

CaC₂+N₂=CaCN₂+C

У 1901 р. Франк запропонував застосувати ціанамід кальцію як азотне добриво. Як було установлено ще раніше, ціанамід кальцію може бути сировиною і для одержання аміаку за реакцією:

CaCN₂+3H₂O=CaCO₃+2NH₃

Шляхом сплавлення ціанаміду кальцію з вугіллям і лугами можна одержати ціанисті сполуки.

Із 1906 року метод фіксації атмосферного азоту через ціанамід кальцію став широко розповсюджуватись у багатьох країнах через те, що він виявився в 3…4 рази економічніший дугового методу.

Одним із найбільш складних і важливих досліджень в області неорганічної хімії були роботи з вивчення процесу одержання аміаку з азоту й водню і його окислення в оксиди азоту й азотну кислоту. Ще на початку XIX ст. аміак одержували в обмеженій кількості з різних азотних сполук. Пізніше із газів, що виділяються під час термічної обробки вугілля, навчились добувати аміак у вигляді аміакової води. У результаті наступного швидкого розвитку виробництва металургійного коксу із коксового газу стали добувати все більшу кількість аміаку. Під час коксування вугілля 15…20% азоту, що в ньому знаходиться, перетворюється в аміак, його поглинають із коксового газу водою або водним розчином сірчаної кислоти. На 1 т шихти, що завантажується в сучасні коксові печі, одержують 2,5…3,5 кг аміаку.