Без них немыслимо сколько-нибудь современное сельское хозяйство. Для того чтобы в конце века поднять уровень сельскохозяйственного производства во всем мире до уровня развитых стран, потребуется, по подсчетам ученых, увеличить мировое производство минеральных удобрений в 5 раз.
Один из главных элементов, вводимых в почву в составе минеральных удобрений,— азот. Если водород, кислород, углерод доставляются растениям с водой и углекислым газом, то азот, без которого невозможен синтез аминокислот и, следовательно, белка, поступает в растения через корневую систему в виде нитратов и иона аммония, которых обычно в почве не хватает. Лишь немногие «счастливчики» — бобовые могут усваивать азот атмосферы за счет симбиоза с клубеньковыми бактериями, поселяющимися на их корнях. Поэтому производство азотных удобрений — это одна из мощнейших отраслей химической промышленности сегодняшнего дня. Большую их часть получают из аммиака, который в свою очередь синтезируют из водорода и азота в присутствии катализаторов при температуре от 400 до 500° С и высоком давлении — от 20 до 30 МПа:
3H2+N2^2NH3—112 кДж
Почему необходимы такие условия? Реакция азота с водородом экзотермическая, число молей образующегося газа меньше, чем для исходной смеси. Следовательно, увеличению выхода аммиака должны способствовать увеличение давления и снижение температуры (согласно принципу Ле Шателье). Однако молекулы азота и водорода довольно прочны, особенно первые. Чтобы их разорвать на атомы, требуется энергия почти в 1000 кДж. Как правило, минимальная энергия, которая требуется, чтобы заставить молекулы реагировать (ее называют энергией активации), тем выше, чем прочнее связи в молекулах исходных веществ. Ведь чтобы возникли новые связи между атомами, т. е. образовалось новое соединение, нужно сначала разорвать или хотя бы сильно ослабить связи в молекулах исходных веществ. Поэтому энергия активации реакции синтеза аммиака довольно велика, и, чтобы заставить эту реакцию протекать с заметной скоростью, необходимо либо поднять температуру, либо использовать катализатор. Температуру сильно поднимать нельзя — уменьшается выход аммиака. Остается использовать катализатор.
На реакцию синтеза каталитически действуют многие металлы: марганец, железо, родий, вольфрам, осмий, рений, платина, уран и др., т. е. элементы, имеющие незастроенные d- и /-подуровни. Из них наиболее активными являются железо, рений, осмий и уран. Но добыча многих из них пока обходится дорого. Поэтому в промышленности применяется железный катализатор, который стоек к перепадам температур и достаточно активен. К катализатору добавляют промоторы или активаторы А120з, КгО, СаО и Si02 — вещества, повышающие активность, хотя и не всегда обладающие каталитическими свойствами.
Даже наилучшие катализаторы, которыми располагает современная химическая технология, не позволяют провести синтез аммиака при невысокой температуре. Поэтому приходится повышать давление, а следовательно, усложнять аппаратуру, чтобы сместить равновесие реакции в нужную сторону.