Haber–Bosch: el proceso químico que alimentó al mundo

El desarrollo de la agricultura llevó a una explosión demográfica en todo el mundo, sin embargo muchas zonas no poseen suelos con los nutrientes necesarios para su uso agrícola. Esto ha sido un tema fundamental en la agricultura por miles de años, desde grandes civilizaciones pasadas incluyendo Babilónicos, Egipcios y Romanos, quienes usaban minerales para asegurar la fertilidad de sus suelos.

La fabricación de fertilizantes requiere amoníaco, un compuesto formado por un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) por lo que su fórmula química es NH3. El nombre deriva de las sales descubiertas en salares en el noroeste de Egipto en una zona cuyos habitantes eran llamados amonianos. El elemento químico clave es el nitrógeno, por lo que yacimientos de compuestos que contienen este elemento se convirtieron en la importante fuente de la materia prima para la agricultura de todo el planeta. Una de las fuentes más ricas en nitrógeno y otros elementos como fósforo y potasio, es producido de manera natural por la concentración de excrementos de aves en islas costeras y zonas áridas en lo que se conoce en regiones andinas como guano, que en quechua significa abono. En 1802 durante su expedición por las Américas, Alexander von Humbolt estudió las propiedades del guano en la costa de Perú, el que había sido usado por Incas y otros pueblos andinos durante cientos de años para fertilizar sus plantaciones. Los escritos de Humbolt llevaron a la introducción del abundante guano sudamericano en Europa, lo que atrajo el interés de todo el mundo por su enorme valor comercial. En 1865 y tras altercados con Perú, España se apropió de las Islas Chincha lo que fue respondido con una declaración de guerra por la alianza entre Bolivia, Chile, Ecuador y Perú. A los pocos años el guano fue reemplazado por una mezcla de nitratos de potasio y sodio en forma de roca sedimentaria llamada salitre, cuya concentración más grande del mundo se encontraba en el Desierto de Atacama en una zona de límites fronterizos entre Bolivia, Chile y Perú. El gran interés económico fue una de las causas de un nuevo conflicto bélico en 1879, esta vez entre Chile y la alianza de Bolivia y Perú que se conoce internacionalmente como la Guerra del Salitre (localmente se le llama Guerra del Pacífico). Después de la guerra, Chile obtuvo el dominio del Desierto de Atacama y la explotación del salitre llevó a un gran esplendor económico: se construyeron museos, palacios, viaductos, instituciones educacionales y una red ferroviaria que conectaba gran parte del país, además de la mejora de puentes, carreteras y servicios sanitarios en muchas ciudades. Más y más oficinas salitreras eran construídas para administrar la explotación del oro blanco (como se llamaba al salitre) que llegaba en bruto a todos los rincones del planeta.

Afiches sobre el uso del salitre chileno alrededor del mundo.

Mientras que en sudamérica se vivía un gran optimismo económico, en el resto del mundo se buscaban otras fuentes de nitrógeno para fabricar amoníaco. El salitre era fundamental para la producción de fertilizantes pero también para la fabricación de explosivos, por lo que este recurso tenía un gran valor económico así como militar. Aunque muchos países dependían de las exportaciones desde Chile, existe una fuente gratuita y abundante de nitrógeno presente en todos lados: el aire es casi 80% nitrógeno. Científicos de todo el mundo intentaron extraer nitrógeno del aire sin éxito. El nitrógeno se encuentra en el aire como una molécula diatómica (dos átomos de nitrógeno fuertemente ligados) lo que la hace muy estable por lo que no es fácil de separar. Para fabricar amoníaco sería necesario romper el enlace y unir cada uno de los dos átomos tres átomos de hidrógeno, este proceso se conoce como fijación del nitrógeno; sin embargo las propiedades químicas de la molécula de N2 la hacían inútil.

A corto plazo la exportación de oro blanco sólo proyectaba más crecimiento económico en Chile, sin embargo a largo plazo en el resto del mundo una de las grandes preocupaciones era que las reservas de salitre no eran ilimitadas, lo que produciría una crisis mundial por la falta de fertilizantes y con ello de alimentos. En 1898 el gran químico sir William Crookes hizo un llamado a buscar una solución a este problema ya que causaría millones de fatalidades por inanición en todo el mundo dentro de un plazo no mayor a 30 años. Crookes desafió a la comunidad científica diciendo que su trabajo en el laboratorio podría evitar la inanición del mundo y señalando que la fijación del nitrógeno atmosférico sería uno de los más grandes descubrimientos por ahora a la espera del genio de los químicos.

El país que más salitre chileno importaba era Alemania, que no se caracteriza por suelos fértiles. Además a principios del s. XX varias potencias europeas se preparaban para lo que sería la Primera Guerra Mundial lo que requería salitre para fabricar explosivos. Al mismo tiempo Alemania era el líder mundial en la producción de nuevos químicos, colorantes y productos farmacéuticos por lo que contaba con la necesaria capacidad técnica e industrial para enfrentar el desafío. La dependencia del salitre llevó a un programa en muchas universidades alemanas para intentar fijar nitrógeno atmosférico, lo que resultaría en una de las más importantes invenciones del siglo, evitaría una crisis mundial y llevaría a la independencia del salitre. En la Universidad Técnica de Karlsruhe (hoy Instituto Tecnológico de Karlsruhe) el químico Fritz Haber experimentaba en 1903 mezclando hidrógeno molecular H2 y aire en presencia de descargas eléctricas (simulando tormentas eléctricas) para romper la molécula de N2, el que podría unirse al hidrógeno formando dos moléculas de amoníaco:


\text{N}_2 + 3 \text{H}_2 \rightleftharpoons 2 \text{NH}_3

Lamentablemente, la reacción ocurre en ambas direcciones, por lo que las mismas descargas eléctricas que rompían el nitrógeno molecular del aire también rompían los enlaces de la molécula del valioso amoníaco recién formado. Otro problema era la gran cantidad de electricidad necesaria, por lo que éxito parcial en este tipo de experimentos sólo fue posible en Noruega gracias a la disponibilidad de grandes centrales hidroeléctricas.
BASF era la compañía química más grande Alemania y tenía una planta experimental en Noruega. La compañía le encargó al químico Carl Bosch, pionero en el uso de gases a alta presión a nivel industrial, realizar una serie de experimentos para prescindir del uso de electricidad. Luego de cinco años de fracasos y una enorme inversión financiera sus experimentos terminaron sólo produciendo ínfimas cantidades de amoníaco a un gran costo. Mientras a sólo unos 50 km en Karlsruhe, Haber sabía que de alguna manera era necesario acelerar la reacción que produce amoníaco con respecto a la reacción que lo descomponía en sus átomos originales. Haber experimentó con gases a alta presión y reemplazó las descargas eléctricas por calor. En su sexto año tratando de resolver el problema Haber descubrió que al combinar los gases a alta presión y temperatura la formación de amoníaco aumentaba notablemente. Para minimizar la pérdida que se producía por la descomposición del recién formado amoníaco, Haber incluyó una catalizador, un elemento que no se consume en la reacción pero que la acelera, en este caso osmio, un metal raro y muy costoso. Con estos elementos en marzo de 1909 Haber aseguró su lugar en la historia de la ciencia cuando logró sintetizar casi 1 gramo de amoníaco al fijar nitrógeno atmosférico.

Fritz Haber en su laboratorio en Karlsruhe (1905) y su montaje de instrumentos con el que logró la primera síntesis de amoníaco que llevó a la revolución.

El mismo año Haber patentó su método y llevó sus instrumentos hasta la sede central de BASF en Ludwigshafen para hacer una demostración. Carl Bosch estaba presente y no podía ocultar su entusiasmo ante las innovaciones introducidas por Haber. Al contrario, los ejecutivos de la compañía no estaban impresionados, aunque el nuevo método producía cantidades de amoníaco nunca antes logradas el uso de costosos elementos hacían dudar la posibilidad de escalarlo y permitir su producción comercial. En especial las condiciones de alta presión y temperatura harían muy difícil controlar la reacción a un nivel industrial. Bosch logró convencer a los ejecutivos que el método de Haber aunque rudimentario era la única esperanza de fabricar amoníaco en cantidades necesarias para su producción comercial, además aseguró que con unos meses de investigación podría escalarse. La visión de Bosch era que esta inversión llevaría a BASF de la compañía química más grande de Alemania a la más grande del planeta. Bosch consigió la inversión que necesitaba: BASF compró los derechos del método de Haber y puso a Bosch a cargo del proyecto. Su primer objetivo fue buscar un reemplazo para el catalizador, osmio era muy costoso para usarse a gran escala.

Los experimentos de Bosch pasaron de meses a años, sin embargo tras cientos de pruebas un mejor y más barato catalizador fue identificado: un compuesto de hierro con aluminio y potasio. La experiencia de Bosch con gases a alta presión permitió el rápido desarrollo del proyecto que ahora se enfocaba en las calderas y reactores necesarios. El mayor problema técnico a resolver era que los reactores, enormes cilindros de acero, se fracturaban luego de un par de días en funcionamiento. Después de estudiar muchos reactores fallidos, Bosch identificó la causa del problema: el carbono del acero reaccionaba con el hidrógeno a alta temperatura formando una aleación frágil que se fracturaba por la alta presión. Bosch decidió usar acero dulce, es decir, con bajo contenido de carbono. Esto eliminaría la formación de la aleación que fracturaba los reactores, sin embargo la resistencia mecánica del acero dulce es mucho menor por lo que no podría resistir la alta presión. Bosch decidió probar una solución ingeniosa y simple: el cilindro de acero dulce sería rodeado por otro mayor de acero convencional, de esta manera el hidrógeno no entraría en contacto con el carbono y el cilindro exterior proporcionaría la resistencia necesaria para la alta presión. Los reactores diseñados por Bosch debían resistir cerca de 300 atmósferas de presión para combinar los gases a más de 500°C. Después de varias pruebas exitosas la primera planta productora de amoníaco fue construída en Oppau, junto al río Rin en el complejo industrial de BASF. Tras cuatro años de investigación y desarrollo, la planta comenzó a operar en septiembre de 1913 produciendo toneladas de amoníaco al día. Al año siguiente 20 toneladas al día demostraban la eficacia del proceso conocido hasta nuestros días como Haber-Bosch.

Reactor de alta presión para síntesis de amoníaco. Instalación en la planta de Oppau (1913) y reliquias preservadas frente al edificio de química del Instituto Tecnológico de Karlsruhe y la oficina central de BASF.

En agosto de 1914 estalló la Primera Guerra Mundial y con ella un bloqueo marítimo que detuvo la importación de salitre desde Chile. Ante el necesario compuesto para fabricar explosivos Bosch prometió la implementación de un proceso para fabricar salitre sintético a partir de las toneladas de amoníaco al día que su planta producía. En cuestión de meses una nueva planta fue construída y a fines de 1914 toneladas de salitre sintético demostraban la autonomía técnica, científica e industrial del país.

A pesar de que el proceso de Haber-Bosch llevó a la extensión de una terrible guerra, los beneficios que trajo a la humanidad son innegables. Fertilizantes sintéticos permitieron el desarrollo agrícola y el cultivo abundante de alimentos a una escala global por primera vez en la historia. La población mundial se ha cuadruplicado en los últimos 100 años y se estima que cerca de la mitad del nitrógeno en las proteínas de nuestro cuerpo proviene del proceso de fijación, por lo que ocurrió en uno de los grandes reactores químicos desarrollados por Bosch. Hoy en día cerca del 2% del consumo energético mundial se usa en la producción anual de casi 500 millones de toneladas de fertilizantes gracias al proceso de Haber-Bosch. Esta revolución fue reconocida a sus creadores: en 1918 Fritz Haber recibió el Premio Nobel de Química por la síntesis de amoníaco a partir de sus elementos; Carl Bosch recibió el Premio Nobel de Química por la invención y desarrollo de métodos químicos a alta presión en 1931. Aunque muchas invenciones han jugado un rol relevante en nuestras vidas, el proceso Haber-Bosch es lo que ha permitido cultivar alimentos para la creciente población mundial durante el último siglo por lo que no es exagerado considerarlo, como Crookes predijo en 1898, como una de las más importantes invenciones de la historia. Además de fertilizantes, la síntesis de amoníaco llevó al desarrollo de muchos otros materiales incluyendo colorantes, textiles, plásticos, fibras sintéticas revolucionarias como el Nylon y explosivos usados en minería. Otra consecuencia de la producción de amoníaco a partir del abundante y gratuito nitrógeno en el aire fue el colapso de la economía en aquellos países que dependían de la exportación de salitre. En el caso de Chile, el mayor exportador de oro blanco, la invención de Haber y Bosch produjo una caída en más de 90% las exportaciones de salitre y el posterior cierre de todas las oficinas salitreras. Hoy pueblos fantasmas sirven como un recordatorio de la frenética explotación de un recurso natural sin considerar su futuro, lo que puede producir un esplendor económico pasajero pero que está condenado a decaer gracias a los avances en ciencia y tecnología que están ocurriendo en algún otro lugar.

La historia del proceso Haber-Bosch es también considerada una de las más exitosas colaboraciones entre universidades e industrias. BASF era una compañía que había existido por algo más de 40 años cuando apostó su futuro financiero en manos de Bosch para extender el trabajo de laboratorio de Haber. El éxito fabricando amoníaco y salitre sintético a una escala industrial hizo realidad su promesa, convirtiéndola en la compañía química más grande del mundo hasta nuestros días. Recuerdo veranos cuando niño en el campo de mi abuelo, donde había sacos de fertilizantes con el logo de BASF. Sólo conocí de los detalles de esta historia en 2014, cuando llegué a trabajar al Instituto Tecnológico de Karlsruhe después de recibir mi doctorado. Durante mis dos años allí caminaba rumbo a mi oficina cada mañana pasando frente a tres íconos: el auditorio donde Heirich Hertz (uno de mis héroes de la infancia) descubrió las ondas electromagnéticas, un busto de Carl Benz y la reliquia del enorme reactor frente al edificio de química del Instituto. Curiosamente las vueltas de la vida me llevarán a BASF, donde comenzaré en unos días a trabajar en la división de Research & Development, donde uno de los más recientes avances es el reciclado químico de desechos plásticos: los polímeros (largas cadenas microscópicas de estructuras moleculares llamadas monómeros) son descompuestos en sus monómeros y reemsamblados nuevamente (como piezas de Lego) para fabricar nuevos productos, esta es una medida para reducir los problemas que nuestro uso (y abuso) del plástico causa al medio ambiente.

Imágenes: Archivo Nacional de Chile, Karlsruhe Institute of Technology, BASF

Acerca de Jorge Diaz

Jorge es físico teórico. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, EEUU y después trabajó como investigador postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Aunque su especialidad son los neutrinos y la física nuclear, trabaja como Data Scientist en una industria química. En Twitter: @jsdiaz_
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5 respuestas a Haber–Bosch: el proceso químico que alimentó al mundo

  1. Excelente historia contada y razonada …Hace 150 años la química nos propuesto el lego de los ladrillos atómicos, para ensamblar y construir nuevos productos sintéticos (ropa, casas, energía, embalajes, casi hasta el infinito)…pero seria bueno en esa exposición, sugiero ampliarla para explicar porq esos compuestos nitrogenados enriquecen o abonan el suelo, está claro q ademas son muy buenos combustibles (como los derivados del metano natural, etc.) pero que llegan más lejos porq eso explosivos pueden generar mas potencia (energía entregada) en la unidad tiempo) …pero en cambio como otros derivados del nitrógeno como los NOx producidos, son en cambio tan tóxicos y letales para la salud y el medio ambiente…
    Bueno larga vida a la Química, una ciencia emergente de la física (sus propiedades no se pueden explicar solo con las leyes físicas o cuánticas)…y donde ahora esas mismas técnicas, que han servido para producir tantos plasticos, de los q ahora debemos aprender a deshacernos, pueden ser tb la solución al problema creado (la ciencia es neutra, pero sus aplicaciones no).

    Jorge Sigue adelante con este post …como ves hace reflexionar… enhorabuena!
    PD por cierto en español el adverbio luego q tan profusamente usas continuamente es reemplazado normalmente por otras expresiones como : más tarde , tras, después, etc…

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola Juan Gerardo, me alegra que te haya gustado el artículo. Preferí no profundizar en la química porque la verdad no soy experto en el tema. Gracias por la crítica constructiva sobre mi abuso del «luego», honestamente no lo había notado. Siguiendo tu recomendación he editado el texto para disminuir la densidad de «luegos» por párrafo.

  2. Angel Murcia Corcino dijo:

    Estimado Jorge:

    Gracias por tu excelente nueva entrada, definitivamente que el método Haber-Bosch, es un ejemplo para los países en desarrollo, como por ejemplo México, de como las fuentes de energía alternativas, pueden ser la solución a la dependencia de la energía fósil. En Tabasco, estado de México en donde resido, tenemos, aproximadamente 300 días de luz solar, miles de hectáreas de pantanos. Porque no apostarle, tanto gobierno, iniciativa privada y universidades, a una solución creativa como el método Haber-Bosch, para que cada hogar en Tabasco pueda producir, su propia, energía eléctrica y biogas a partir del la luz solar y el metano de nuestros pantanos.

    Recibe saludos cordiales y quedamos atentos de tu próxima publicación.

  3. Óscar dijo:

    Gran historia muy bien contada, enhorabuena y gracias por la lectura. Pero te quería comentar que faltaría añadir otra derivada a la historia y es que se ha roto el equilibrio natural del ciclo biogeoquimico del nitrógeno en el planeta y estamos en un escenario de consecuencias ecológicas desconocidas, ya hay efectos registrados de alteraciones ecológicas en diferentes ecosistemas, tanto marinos como terrestres, en su mayoría relacionados con procesos de eutrofización.

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