O processo Haber–Bosch: pão a partir do ar

Por volta de 1900 o mundo estava ficando sem fertilizante. O nitrogênio necessário estava por toda parte — no ar —, mas trancado numa molécula que se recusa a reagir. O processo Haber–Bosch abriu esse cadeado e virou uma das reações químicas mais importantes já postas para trabalhar.

Esta matéria explica por que o nitrogênio é difícil de usar, como Fritz Haber fez amônia no laboratório, como Carl Bosch levou isso à indústria, a química do equilíbrio por trás das condições de operação e as consequências, boas e ruins, para o mundo moderno.

O problema do nitrogênio

O nitrogênio está em todas as proteínas e no DNA, e as plantações precisam de muito dele. O ar tem 78% de nitrogênio, mas na forma de N₂: dois átomos unidos por uma ligação tripla que exige cerca de 945 kJ/mol para ser quebrada. As plantas não conseguem usá-lo. Elas precisam de nitrogênio fixado — amônia ou nitrato no solo —, que na natureza vem principalmente de bactérias e, em pequena quantidade, dos raios.

No século XIX os agricultores usavam nitrogênio fixado do guano (fezes de aves marinhas) e do salitre do Chile (nitrato de sódio). Os dois eram limitados. Em 1898 o químico britânico William Crookes alertou que a produção de trigo logo ficaria atrás do crescimento da população se os químicos não aprendessem a fixar o nitrogênio do ar.

A amônia de bancada de Haber

Fritz Haber, na Universidade de Karlsruhe, estudava o equilíbrio entre nitrogênio, hidrogênio e amônia. Na pressão normal o rendimento era mínimo. Com o engenheiro Robert Le Rossignol, ele montou um aparelho pequeno que trabalhava a cerca de 200 atmosferas e 500 °C, com catalisador de ósmio e um circuito que reaproveitava o gás que não reagia.

Em julho de 1909 o aparelho produziu um fluxo contínuo de amônia líquida diante de representantes da empresa química BASF. A química estava resolvida; a engenharia, não.

Bosch leva à indústria

A BASF entregou a tarefa a Carl Bosch. Ele enfrentou problemas que ninguém tinha resolvido:

• O catalisador. O ósmio era raro e caro. Alwin Mittasch e sua equipe fizeram milhares de testes com materiais diferentes e descobriram que o ferro, com pequenas quantidades de óxido de alumínio e óxido de potássio como promotores, funcionava bem e barato. A indústria ainda usa esse tipo de catalisador.
• O reator. Com pressão e temperatura altas, o hidrogênio penetrava nas paredes de aço e as deixava quebradiças até estourarem. Bosch projetou um reator com um revestimento interno fino de ferro macio dentro de um tubo externo de aço resistente com furos de alívio, para o hidrogênio que vazasse poder escapar.
• Os gases. A fábrica precisava de enormes quantidades de hidrogênio e nitrogênio puros, e de compressores e válvulas para alta pressão.

A primeira fábrica abriu em Oppau, na Alemanha, em 1913. A química de alta pressão tinha virado indústria.

A química das condições

A reação é um equilíbrio reversível, então as condições são escolhidas com o princípio de Le Chatelier: um sistema em equilíbrio se desloca para se opor a uma mudança.

O equilíbrio entre rendimento e velocidade é uma questão clássica de prova: temperaturas mais baixas dariam mais amônia no equilíbrio, mas a reação ficaria lenta demais, mesmo com catalisador. Saiba mais sobre reações reversíveis em O que é uma Reação Química.

Hoje a maior parte do hidrogênio vem do gás natural pela reforma a vapor (CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂), e o nitrogênio vem direto do ar.

Alimentando o mundo

Cerca de 80% da amônia produzida hoje vira fertilizante, como ureia e nitrato de amônio. Estudos estimam que o nitrogênio do Haber–Bosch sustenta a alimentação de cerca de metade da população mundial, e que mais ou menos metade dos átomos de nitrogênio de um corpo humano típico passou por uma fábrica de amônia. Poucas reações químicas mudaram tantas vidas.

Haber recebeu o Nobel de Química referente a 1918, e Bosch dividiu o prêmio de 1931 com Friedrich Bergius pelos métodos químicos de alta pressão.

O lado sombrio

A amônia pode ser oxidada a ácido nítrico (o processo Ostwald), ponto de partida dos explosivos. Na Primeira Guerra Mundial, com a Alemanha isolada do salitre chileno, a amônia do Haber–Bosch manteve suas fábricas de munição funcionando.

O próprio Haber dirigiu o programa alemão de armas químicas e supervisionou o primeiro grande ataque com gás cloro, em Ypres, em abril de 1915. Anos depois, como cientista de origem judaica, foi afastado pelo governo nazista e deixou a Alemanha em 1933; morreu em Basileia em 1934.

O processo também tem custos ambientais. Produzir amônia usa cerca de 1–2% da energia do mundo e gera uma parcela parecida das emissões globais de CO₂. O excesso de fertilizante escorre para rios e mares, causando proliferação de algas e “zonas mortas” sem oxigênio, e parte dele escapa como óxido nitroso, um gás de efeito estufa potente. Pesquisadores trabalham na “amônia verde”, feita com hidrogênio de eletrólise movida a eletricidade renovável.

Linha do tempo

• 1898 — O alerta de Crookes. A oferta de trigo vai ficar para trás sem fixação de nitrogênio.
• 1909 — A demonstração de Haber. Amônia líquida a partir de nitrogênio e hidrogênio numa bancada.
• 1913 — Oppau. A BASF abre a primeira fábrica industrial de amônia.
• 1918 — Prêmio Nobel. Haber recebe o prêmio de química pela síntese da amônia.
• 1931 — Prêmio Nobel. Bosch divide o prêmio pela química de alta pressão.
• 2023 — Mais de 150 milhões de toneladas por ano. A amônia é um dos produtos químicos mais fabricados do mundo.