Grand oral sur le procédé Haber Bosch

« GRAND ORAL PHYSIQUE CHIMIE Problématique : En quoi la découverte ambivalente de Fritz Haber a été un tournant mondial au XXe siècle ? INTRODUCTION : En 1898 la population mondiale est de 1,5 milliard de personnes et dépasse largement la capacité de production de nourriture.

On prévoyait qu'il fallait attendre jusqu’en 1931 en traversant des périodes de guerre et de famine pour stabiliser la production et la population mondiale.

C’est alors que Haber un scientifique allemand décida de s’y donner la tâche et de résoudre cette problématique soit comment nourrir 1Md de personne.

Et il réussit brillamment et obtient un prix Nobel de chimie en 1919.

C’est là qu'arrive la cérémonie et un problème s’affiche, beaucoup de ses collègues scientifiques et chimistes ont décliné l’invitation et deux autres gagnants de prix Nobel ont refusé de recevoir leur trophée en signe de protestation malgré son exploit. Protestation contre quoi me diriez-vous, Nous y reviendrons après avoir compris comment Haber a résolu un problème intemporel, la famine dans le monde.

Ainsi, en quoi la découverte de Fritz Haber a été un tournant mondial au XXe siècle ? I.

Une révolution scientifique : la synthèse de l’ammoniac Haber réussit en 1909 à synthétiser de l’ammoniac (NH ₃) à partir d’azote (N ₂) de l’air et d’hydrogène (H₂) sous haute pression et haute température.

Ce processus est ensuite industrialisé par l’ingénieur allemand Carl Bosch à partir de 1913, donnant naissance au procédé Haber-Bosch. Avant cette invention, les sources principales de nitrates nécessaires à la fabrication d’engrais provenaient du salpêtre du Chili ou du guano péruvien qui est de l'excrément et des cadavres d'oiseaux marins.

Ces ressources naturelles sont limitées et politiquement stratégiques.

Haber qui est un patriote allemand engagé décide de régler ce problème pour l’Allemagne.

C’est dans ce contexte que la problématique d’engrais en Allemagne devient une urgence nationale. Pour en revenir au procédé Haber-Bosch, détaillons son fonctionnement.

Tout d’abord, l'azote de symbole N a 5 électrons de valence (2s² 2p³), ce qui le rend trivalent dans la plupart de ses composés (il cherche 3 électrons pour compléter sa couche).

C’est une composé primordial quant au procédé Haber-Bosch et c’est autour de lui que règne la découverte. Il forme donc typiquement 3 liaisons covalentes, par exemple dans : NH₃ (ammoniac) et le N₂ (diazote, triple liaison).

Cependant le N2 a une triple liaisons des plus solides que l’on connaisse en chimie et c’est là que le problème se posera. Il met en place l’équation bilan N2 + 3H2 –} 2NH3 (de l’ammoniac).

Le dihydrogène est obtenu par la réaction entre le méthane et la vapeur soit : L'hydrogène réagit avec l’air donc l'oxygène créant donc de l’eau.

De plus l’air est contenu de 78,08% d’azote et de diazote ce qui fait de lui un gaz très accessible.

Ces gazs sont donc récupérés et compressés dans le réacteur là où ils seront exposés à haute pression mais surtout à haute température, qui était d’ailleurs la pièce manquante auparavant pour faire de l’ammoniac. Plusieurs chimistes ont testé des mélanges de diazote et de l'hydrogène comme George Hildebrand en 1811 qui a eu l’idée de mélanger ces produits dans une flasque vide puis la submergé à 300 mètres de profondeur pour augmenter la pression.

Il échoue au vu de la triple liaison covalente du diazote, l’une des liaisons les plus solides qu’on connaisse en chimie, pour qui son énergie de dissociation de liaison est de 945 kJ/mol.

Il faut donc une énergie de 945 kJ pour briser les triples liaisons d’une mole de diazote.

C’est donc Haber qui comprit qu’il fallait aussi réguler la température et l’augmenter afin de réussir la réaction. L’étape suivante consiste en la synthèse de l’ammoniac (NH₃).

Pour cela, le diazote (N₂) et le dihydrogène (H₂) sont mis en contact en présence d’un catalyseur à base de fer, qui joue un rôle essentiel : il accélère la réaction sans être consommé, en facilitant notamment la rupture de la triple liaison très stable de N₂. Cependant, cette réaction ne peut se faire que sous conditions extrêmes : une température élevée, comprise entre 300 et 550 °C ; une pression importante, allant de 150 à 250 bars Le rendement de cette réaction n’est que de 10 à 20 % par passage.

Après chaque cycle, les gaz sont refroidis, ce qui permet de liquéfier (donc passé d’un état gazeux à un état liquide) et récupérer l’ammoniac formé.

Les gaz non transformés sont ensuite recyclés dans le système, ce qui améliore le rendement global . Grâce à cet ammoniac synthétique, on peut produire des engrais azotés bon marché et abondants, révolutionnant l’agriculture mondiale.

Alors que l’agriculture traditionnelle dépendait de la rotation des cultures, des jachères et du fumier, l’engrais industriel permet des récoltes plus fréquentes et plus abondantes.

Les fermiers sur les mêmes terres agricoles ont pu produire 4x plus de nourriture qu’avant.

Par conséquence que la population de la terre, en moins d’un siècle (donc ajd), a un peu plus que quadruplé là où on passe de 1,5 milliard d’habitants en 1900 à 8,2 milliard d’humains en 2024.

Il est très probable que vous deviez votre vie a l’invention de Fritz Haber par ailleurs.

En effet, à peu près 50% des atomes d’azote dans notre corps viennent du procédé Haber dit le scientifique Galloway dans son article “le cycle de l’azote : le passé, le présent et le futur” publié en 2008.

Le procédé Haber est à ce jour utilisé et on estime qu’il permet de nourrir plus de 4 milliard de personnes soit la moitié de la population mondiale. Evidemment, avec les avancées technologiques et scientifiques faites en un siècle, la science a découvert d’autres fertilisants et de manières de produire de la nourriture. Nonobstant que le procédé Haber-Bosch est la principale option pour les fertilisants donc la production agricole.

Cette avancée inaugure l’ère de la chimie.... »