Haber-Bosch İşlemi: Gökyüzünden Sofraya

İçerik Yazarı: Ela Duru Yıldırım

Editör: Fatma Melike Şahin

Tasarım: Ece Kara

20.yy. başlarında dünya hızla değişiyordu. Şehirler büyüyor, nüfus artıyor, kaynaklar yetmiyordu. Toprağın doğal azot kaynakları sınırlıydı bu yüzden çiftçiler verimli ürün elde edemiyordu. İronik bir şekilde hava azotla doluydu fakat azotun doğal yollarla toprağa geçişi çok yavaş ve sınırlıydı. Artan nüfus bu kadar yavaş bir süreci bekleyemezdi, Amerika’dan taşınan guano toprağı verimli kılmak için yeterli olmayacaktı. Çözüm atmosferin ta kendisinde aranmaya başladı. 

Atmosferin yaklaşık %78’inin azot gazından oluşuyor olması biyolojik erişilebilirlik anlamına gelmez. İki azot atomunun arasındaki üçlü bağ (N≡N) yaklaşık 941kJ/mol bağ enerjisine sahiptir; bu değerle birlikte doğadaki en kararlı moleküllerden biri haline gelir, kolay kolay çözülmez.

Azotun, toprağa topraktan da metabolizmamıza geçebilmesi için bağ kurması, daha reaktif bileşiklere dönüşmesi gerekir. Doğada bu bağ ancak yıldırımların yüksek enerjisiyle veya topraktaki bazı bakterilerin azot fiksasyonu yapmasıyla kırılabilir. İşte tam burada Fritz Haber devreye girdi. Basit ama zor bir hedefe sahipti: atmosferdeki azotu, bitkilerin kullanabileceği bir forma sokmak yani amonyağa dönüştürmek.

N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

Reaksiyon belirli ve termodinamik açıdan mümkündü. Ancak Fritz, sıradan sıcaklık ve basınç koşullarında bunu yapamazdı; azot fazlasıyla kararlıydı. Bu yüzden yüksek sıcaklık, yüksek basınç (400-500 °C ve 150-300 atmosfer basıncı) ve katalizöre ihtiyacı vardı. Demir bazlı katalizörler kullanarak azot atomlarının arasındaki güçlü bağ kırıldı ve Haber serbest azot atomlarının hidrojen gazıyla reaksiyona girmesiyle amonyak (NH₃) sentezlemeyi başardı.

Amonyağın sentezlenmesiyle birlikte artık endüstriyel ölçekte uygulanabilir hale gelmesi gerekiyordu. Bu rolü Carl Bosch üstlendi. Yüksek basınca dayanacak çelik reaktörlerin tasarlanmasıyla sanayi ölçeğinde üretime başlandı. Üretilen amonyak, tarımsal verimlilikte devrim niteliğinde olan azotlu gübrelerin ham maddesi hâline geldi. Bugün dünya nüfusunun büyük bir kısmı vücudunda Haber-Bosch kökenli azotları taşıyor. 

Günümüzde hâlâ Haber-Bosch dünya genelinde milyarlarca ton amonyak üretiminde kullanılıyor. Bilim insanları bu köklü işlemi daha sürdürülebilir ve iklim dostu kılabilmek için çabalıyor. Özellikle geleneksel hidrojen üretiminde kullanılan fosil yakıtlar ve açığa çıkan karbondioksit (CO₂) dev bir karbon ayak izi oluşturuyor. Yeşil hidrojen kullanımı, düşük basınç ve sıcaklıkta çalışan yeni katalizörler ve alternatif elektrokimyasal yöntemlerle laboratuvar ölçeğinde çevre dostu çözümler denense de henüz endüstriyel anlamda yaygın değil.