Dwa osiągnięcia chemii, które zmieniły świat

Dwa osiągnięcia chemii,
które zmieniły świat
Adam Bielański
Chemia odgrywa istotną rolę we wszystkich
dziedzinach współczesnego życia:
wyżywienie
medycyna i farmacja
odzież
dom i mieszkanie
transport
komunikacja
Plon z 1 kg ziarna zasianego
XII-XV wiek
 1800 r
 1970 r
3 - 4 kg
5 - 6 kg
30 - 40 kg
Justus von Liebig
1841 Teoria mineralnego odżywiania się
roślin
Prawidłowy wzrost roślin wymaga obecności w glebie
przyswajalnych związków:
azotu
fosforu
potasu
zawartych w odpowiednim stosunku.
Nawozy sztuczne wprowadzane stopniowo do
rolnictwa w drugiej połowie XIX wieku
Surowce
FOSFOR: fosforyty (Marok, USA, Ukraina, Turcja ,
Mauretania)
POTAS: sole potasowe towarzyszące złożom soli kamiennej
(Niemcy, Hiszpania, Francja, Rosja, Meksyk)
AZOT:
obornik (niewystarczająca ilość, mała zawartość
azotu),
nawozy zielone,
złoża azotanu sodu w Chile
(kosztowny transport, niepewne dostawy)
Pierwsze techniczne metody wiązania
azotu atmosferycznego ( 1900 r)
Adolph Frank i Nikodem Caro
 20000 C
CaO  3C   CaC2  CO
1000 0 C
CaC 2  N2   CaCN2  C
 H2 O
Ca(OH)2  NH3
Kristian Birkeland i Samuel Eyde
 3000 o C
O2
N2  O 2  2 NO 
 HNO 3
HO
2
wymagały bardzo dużego nakładu energii
Okres badań 1903 - 1913
Fritz Haber
N2  3 H2 
2
NH
3

reakcja odwracalna, egzotermiczna,
przesunięciu równowagi na stronę NH3 sprzyja :
niska temperatura
wysokie ciśnienie
Obecnie stosowane warunki syntezy
temperatura: 500 - 650 °C
ciśnienie: 300 - 350 atm
katalizator: żelazo + promotory (tlenki Al, K, Ca)
Fritz Haber: badania laboratoryjne i określenie
stanów równowagi (Nobel 1918)
Alwin Mittasch: dobór katalizatora przemysłowego
(2 500 próbek)
Carl Bosch: opracowanie niestosowanej wcześniej
w przemyśle techniki wysokich ciśnień
(Nobel 1931)
Pierwszy przypadek opracowania w przemyśle chemicznym technologii opartej na
pełnym cyklu badań od laboratoryjnych badań podstawowych do badań
wdrożeniowych i półtechnicznych.
 O2
 O2 i H2O
NH3  NO  NO2   
 HNO3
katalizator
Pt
 HNO3
NH4NO3
 H2SO4
NH4 2 SO4
Pierwszy reaktor (1915 r) - 10 ton NH3 / dzień
Obecnie około
- 2000 ton NH3 / dzień
zielona rewolucja: nawozy sztuczne, nowe odmiany zbóż,
mechaniczna uprawa roli
Ultraczysty krzem – decyduje o komputeryzacji
Tranzystor
Elementy scalone
Procesor
Tranzystor
Płytka krzemowa zawierająca obszary różniące się
typem przewodnictwa ( n i p ) powstające na skutek
wprowadzenia domieszek na przykład fosforu lub boru w
ściśle kontrolowanych bardzo małych ilościach, do
ultraczystego krystalicznego krzemu.
Osiągana czystość krzemu krystalicznego 10-9 % atom.
t.j. 1 atom obcy na 100 mld. atomów krzemu.
Otrzymywanie i oczyszczanie
krzemu
J. J.Berzelius
1700 0C
SiO2  2C   Si  2CO
Produkt wytrawiany roztworem HCl zawiera 98.5 % Si
200 0C
Si  3HCl  
 SiHCl3  H2
Trichlorosilan (t. wrz. 22°C) oczyszczany
przez wielokrotną destylację frakcjonowaną
i rozkładany przez ogrzewanie do kilkuset °C,
z wydzieleniem wolnego krzemu
Końcowe oczyszczanie Si
a)metodą Czochralskiego
b) przez topienie strefowe
Dolina krzemowa - Kalifornia