El proceso de Haber

El principio de Le Châtelier describe lo que ocurre en las reacciones reversibles. Irónicamente, al intentar realizar una de las reacciones reversibles más importantes del planeta (véase la reacción para producir amoniaco), Le Châtelier fracasó. Se hizo un lío con el experimento que le habría permitido sintetizar la sustancia química que actualmente se encuentra en el centro de dos industrias globales: la de los fertilizantes y la del armamento. […]

La reacción para producir amoniaco

La reacción reversible para producir amoniaco es:

Se trata también de una reacción redox […] y también es una reacción exotérmica, lo que significa que pierde energía hacia su entorno y no requiere de mucho calor para iniciarse. Puede desarrollarse sin problemas a bajas temperaturas.

Sin embargo, para producir cantidades industriales de amoniaco se necesita calor. Aunque una temperatura más alta desplaza el equilibrio […] ligeramente a la izquierda, favoreciendo al nitrógeno y el hidrógeno, la reacción progresa mucho más deprisa, lo que significa que se produce mucho más amoniaco en menos tiempo.

[…]De no haber sido por la explosión casi mortal, Le Châtelier no habría abandonado sus investigaciones sobre el amoniaco. De hecho, el proceso de Haber, como dio en conocerse, aprovechaba las teorías del propio Le Châtelier. La reacción importante en la síntesis del amoniaco establece un equilibrio entre los dos reactivos (nitrógeno e hidrógeno) y el producto (amoniaco). Tal como predecía el principio de Le Châtelier, extraer uno de los productos altera el statu quo y lleva a que el equilibrio tienda a restablecerse. Así, en el proceso de Haber, el amoniaco se extrae constantemente para que se siga produciendo.

Haber utilizó un catalizador de óxido de hierro para acelerar su reacción. […]. Después de conseguir las primeras gotas de amoniaco en un experimento de laboratorio realizado en 1909, su colega Carl Bosch le ayudo a comercializar el proceso (a veces conocido como proceso de Haber-Bosch). Casi una década más tarde, Haber recibiría el premio Nobel de Química, […].

Fuente: Hayley Birch, 2016, 50 cosas que hay que saber sobre Química, Barcelona: Ariel Capitulo 17

Actividad a realizar con los alumnos: El proceso Haber

Objetivos:

• Comprender el concepto de equilibrio químico
• Aplicación del concepto de equilibrio químico a los procesos de fabricación
• Comprender el concepto de catalizador
• Comprender las posibles consecuencias del uso de fertilizantes sintéticos a nivel medioambiental

Desarrollo de la actividad

Se compone de las siguientes fases:

1. Visionado de los siguientes videos en grupos de 4/5 alumnos:

What is the Haber Process | The Chemistry Journey | The Fuse School. [Vídeo]. Recuperado de:

The Haber process and its environmental implications | The Chemistry Journey | The Fuse School. [Vídeo]. Recuperado de:

2. Búsqueda de información suplementaria que consolide los conceptos explicados en los vídeos anteriores

3. Realización de una presentación en powerpoint al resto de sus compañeros con posterior debate.

Criterios de evaluación:

1. Elaborar una rubrica que permita la evaluación de las presentaciones de los diversos grupos.
2. Realizar un test escrito.

Amoníaco y controversia: Ingredientes del mismo cóctel

Esta semana se cumplen 109 años desde la patente de formación del compuesto que cambiaría el curso del siglo XX y en consecuencia de la vida tal y como la conocemos hoy. El nitrógeno es crucial en la bioquímica de los seres vivos y el gas más común de nuestra atmósfera. Sin embargo, no suele reaccionar fácilmente con otros elementos, lo que hace que los seres vivos no puedan extraerlo del aire. El hallazgo se logró en 1908, cuando Fritz Haber patentó el proceso catalítico de alta presión que combina el nitrógeno atmosférico con hidrógeno para formar amoníaco. En 1913, Carl Bosch y su equipo hicieron que el descubrimiento de Haber se pudiera desarrollar a escala industrial y construyeron la primera planta de amoníaco. Cien años después, el proceso Haber-Bosch sigue siendo el método predominante en la industria dando aproximadamente 200 millones de toneladas por año, el 80% destinadas a alimentar las tierras de cultivo.

Fritz Haber

Pero «algunos afirman incluso que sin el amoníaco de Haber, tan útil para elaborar explosivos como para producir fertilizantes, el imperio alemán no habría podido lanzarse a la Gran Guerra, Lenin no habría podido llegar a Rusia, Hitler no habría alcanzado el poder y por el camino se habrían salvado millones de vidas e incluso el alma de la civilización europea».

El amoníaco sintetizado por Haber fue la base de la producción de gases venenosos y explosivos utilizados contra las tropas aliadas en la Segunda Guerra Mundial, proceso en el que él participó de forma muy activa. Los científicos que trabajaban en su instituto basándose en su trabajo desarrollaron la fórmula del gas de cianuro Zyklon A, el precursor del gas usado en los campos de concentración durante el Holocausto.

Soldados utilizando gases venenosos como arma química

«Un ejemplo de cómo, cuando a la ciencia no se le imponen límites éticos puede pasar rápidamente de fuente de vida a arma de destrucción masiva».

Referencias:

http://www.bbc.com/mundo/noticias-38107124
https://biochembelle.com/2011/01/22/shadows-of-greatness/
http://esmateria.com/2013/03/03/de-como-un-cientifico-ayudo-a-hitler-creando-amoniaco-y-50-historias-mas/
https://es.wikipedia.org/wiki/Amon%C3%ADaco
http://www.publico.es/ciencias/investigacion/amoniaco-sustancia-cambio-mundo.html
https://www.detectivesdelahistoria.es/fritz-haber-vida-y-muerte-a-traves-de-la-quimica/

 

Actividad a realizar:

El alumno debe consultar las referencias presentadas para tener una visión global del suceso y de sus consecuencias, después deberá contestar a las siguientes preguntas;

1. ¿Qué consecuencias positivas tuvo la aportación de Haber-Bosch? Cita tres productos que disfrutes en tu día a día y que sean consecuencia directa del descubrimiento y razona por qué.
2. ¿Qué consecuencias negativas tuvo dicho suceso científico? Desarrolla 7 líneas sobre el efecto de los fertilizantes.
3. Comenta con tus compañeros las respuestas a las preguntas anteriores y valora las consecuencias observadas; sociales, políticas, medioambientales, sanitarias,…

Objetivos de esta actividad:

1. Conocer la historia de la química a través de sus personajes y poder comprenderla en su contexto social.
2. Reflexionar sobre las posibles consecuencias que puede tener un evento científico en la sociedad y, en consecuencia, en la historia.
3. Estudiar el amoníaco, la reacción de Haber-Bosch y relacionarlo con el ciclo del nitrógeno.

 

 

¿Puede el avance de la ciencia implicar consecuencias sociales y ambientales negativas?

      El amoníaco, es uno de los compuestos más importantes de la industria química. La mayor parte se utiliza en la fabricación de abonos (sales amónicas), y el resto tiene usos muy diversos, desde la fabricación de explosivos a tintes, lacas o limpiadores amoniacales.

      La síntesis a escala industrial del amoníaco (1913) desarrollada por Fritz Haber (1868 – 1934) supuso un cambio en la agricultura, al permitir  fijar de forma artificial el omnipresente nitrógeno del aire (78%vol), mejorando enormemente los rendimientos agrarios en una sociedad con un crecimiento exponencial.

      A pesar de que el objetivo era remediar los problemas de desnutrición, se pasaron por alto aspectos como la devastación de territorios en beneficio de la agroindustria y el progreso y  las consecuencias derivadas de la contaminación por nitrógeno que afectaba a personas, el aire, la tierra y los acuíferos, así como su uso indebido en la industria de la Guerra Química de la I G.M y la II G.M..

Vidas salvadas* [1]	Muertes causadas*[2]
2,7 billones desde el S. XIX	1,3 millones de personas en la I G.M.

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Actividades

1-Se divide a los alumnos en dos grupos que obtendrán la información sobre:

• Grupo A- Contexto científico e histórico. [3]
• Grupo B- Contexto científico: proceso químico y medioambiente. [4]

2-Posteriormente, cada grupo debe resumir su contenido y exponerlo ante el otro grupo.

3-Tras las exposiciones, contestar las cuestiones:

•     ¿Cuáles son las causas que hacen del nitrógeno un elemento esencial para los seres vivos? ¿Las plantas pueden tomar directamente el nitrógeno de la atmósfera?
•     Indicar brevemente el contexto socioeconómico en que se produjo la síntesis de Haber-Bosch.
•     ¿Qué desventajas comporta la producción actual de fertilizantes nitrogenados y su uso en exceso?

4- Finalmente, como trabajo individual, deberán investigar y contestar a las siguientes cuestiones:

•     Haciendo uso del Principio de Le-Chatelier, indica bajo qué condiciones teóricas termodinámicas  se puede favorecer la conversión de nitrógeno del aire en amoníaco.
•     Investiga cuales son las condiciones reales a escala industrial bajo las que se lleva a cabo y justifica las posibles diferencias

 

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Objetivos

• Comprender que las demandas y necesidades sociales impulsan los descubrimientos científicos y las aplicaciones tecnológicas.
• Categorizar algunos de los factores a tener en cuenta en un proceso químico viable a escala industrial: termodinámica, cinética y criterios socioeconómicos.
• Inferir de acuerdo con el Principio de Le Chatelier las condiciones termodinámicas que pueden favorecer el proceso de producción del amoníaco
• Desarrollar un espíritu crítico sobre la responsabilidad social y ambiental de nuestros actos.

 

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Evaluación

• Capacidad de búsqueda de información sobre un proceso químico industrial
• Capacidad para inferir y razonar a partir de la base teórica del Principio de Le Chatelier
• Desarrollo de un espíritu crítico en relación a los límites éticos y morales que acompañan a la ciencia y sus avances.

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Fuentes

[1] Foto. https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/link-suggestion/wpcd_2008-09_augmented/wp/f/Fertilizer.htm

[2] Foto. http://chemicalweapons.cenmag.org/who-was-the-father-of-chemical-weapons/

[1,2] Datos sobre vidas salvadas y muertes ocasionadas: www.scienceheroes.com

[3] Enlaces para el análisis del grupo A: http://www.detectivesdelahistoria.es/fritz-haber-vida-y-muerte-a-traves-de-la-quimica/

[4] Enlace para el análisis del grupo B:

ed.ted.com/lessons/the-chemical-reaction-that-feeds-the-world-daniel-d-dulek#watchrc