Jednym z podstawowych pierwiastków potrzebnych do życia roślin jest azot. Choć jest go w powietrzu przeszło 70% to jednak nie oznacza, że dostęp do niego jest ograniczony. Azot w stanie gazowym występuje w postaci dwuatomowych cząsteczek, N2, które są niereaktywne i nieprzyswajalne przez rośliny. Mogą go jedynie pobrać z otoczenia, w postaci jonów, przede wszystkim azotanowych (NO3–) lub amonowych (NH4+) i to głównie poprzez korzenie. Jak więc azot z powietrza może dostać się do gleby i przemienić się w jony? Najprostszą i najpopularniejszą naturalną drogą jest aktywność bakterii azotowych (diazotroficznych, używając trudniejszego słowa).
Dzięki odpowiednim enzymom (nitrogenazom) mogą one przekształcać azot w jony amonowe. Te z kolei albo rośliny przyswoją bezpośrednio albo zainteresują się nimi bakterie nitryfikujące, które przemienią je w jony azotanowe. Obie wspomniane grupy bakterii są istotnym elementem tzw. obiegu azotu w przyrodzie. Dość wspomnieć, że azot obecny w tkankach roślin (i zwierząt) jest uwalniany do środowiska (w postaci jonów lub azotu cząsteczkowego) w wyniku ich pośmiertnego rozkładu przez różne bakterie i grzyby. Obieg azotu jest zbilansowany, ale tylko w skali globalnej, lokalnie już niekonieczne. Uprawa roślin powoduje silne zubożenie gleby w związki azotu. Co wiec można zrobić? Są praktycznie trzy wyjścia.
[translation and minor changes by Blackfish, via Wikimedia Commons]
Pierwsze to wykorzystanie procesów naturalnych. Dawniej zasadą było, ze pole co kilka lat musi „odpocząć”, czyli pozostać nieobsiane[1], tak aby zregenerowały się niedostatki azotu. Czasem wspomagano to wysiewem roślin motylkowych (czyli głównie fasoli i grochu), których korzenie są intensywnie kolonizowane wspomniane bakterie azotowe.[2] Jest to jednak proces powolny i przy tym ograniczający użyteczny areał pod uprawy. Można więc i robiono to od dawna, stosować naturalne źródła azotu (nawozy naturalne), czyli głównie odchody zwierzęce, głównie obornik, z hodowli bydła, czy ptaków.
Na potrzeby współczesnego rolnictwa jest ich jednak za mało. Można by zapytać dlaczego odchody produkowane np. przez ludzi nie mogą być wykorzystywane. Owszem, w biedniejszych rejonach świata są do dzisiaj. Stosuje się też tzw. kompost, czyli produkt rozkładu szczątków roślinnych. Problemów z naturalnymi nawozami jest wiele. Ich źródła są rozproszone, wiele z nich jest zanieczyszczonych różnymi niepożądanymi związkami chemicznymi (dlatego np. ścieki komunalne z wielkich miast są wykluczone), a poza tym względnie niska zawartość azotu powoduje że trzeba transportować i rozprowadzić na polach ich duże ilości, co wymaga dużo pracy i generuje wysokie koszty.
Dlatego powszechnie stosuje się trzecią opcję, to jest nawozy sztuczne. Są to przede wszystkim proste związki chemiczne produkowane na wielką skalę. Należą do nich mocznik oraz różnego rodzaju sole zwane azotanami. Dawniej mówiło się na nie „saletry” i były wydobywane w kopalniach, ponieważ naturalnie występują jako minerały. Azotany/saletry mają w swojej budowie anion NO3- ale różnią się rodzajem kationu. Mamy więc saletrę sodową, potasową, czy wapniową. Czasem używa się ich nazw w zależności od rejonu, gdzie głównie były wydobywane. A więc są to odpowiednio saletra chilijska, indyjska i norweska.
Jest jeszcze saletra amonowa, ale ona nie doczekała się innej popularnej nazwy. Występowanie azotanów w postaci złóż nadających się do wydobycia jest dość rzadkie. A trzeba wiedzieć, że są one wykorzystywane nie tylko jako nawozy, ale także do produkcji materiałów wybuchowych, od prochu strzelniczego (czarnego) do jego nowoczesnych odpowiedników, np. trotylu[3]. Nie dziwmy się, że były to surowce strategiczne. Wspomnieć trzeba choćby „wojnę o saletrę” w latach 80-tych XIX w. między Chile a Boliwią i Peru, w której walki toczono o dostęp do złóż saletry i dostęp do portów nad Pacyfikiem.
[Benjamin Goetzinger, via Wikimedia Commons]
Brak wystarczających zasobów azotanów skłonił do poszukiwania sposobów syntezy związków azotu z azotu obecnego w powietrzu (w końcu jest go tam ilość niemal nieograniczona). I tu na scenę wkracza nasz rodak – Ignacy Mościcki. W przerwie między okresami działalności politycznej[4] niezwykle aktywnie działał na rzecz rozwoju przemysłu chemicznego, ale i energetycznego.
W tym czasie, a dokładnie w latach tuż przed I Wojną Światową opracował metodę syntezy tlenku azotu, z którego już stosunkowo łatwo było otrzymać kwas azotowy, a z niego już praktycznie dowolny nawóz azotowy. Ponieważ jak już to było wcześniej wspomniane azot obecny w powietrzu bardzo niechętnie ulega reakcji, w tym z tlenem (na nasze szczęście, inaczej atmosfera byłaby nietrwała), synteza wymagała wyjątkowych warunków. W tym wypadku prowadzono ją w tzw. łuku elektrycznym, czyli ciągłym wyładowaniu elektrycznym, na kształt kontrolowanego pioruna. Metodę opatentowaną przez Mościckiego (ponoć patent opiniował niejaki Albert Einstein, wówczas pracownik urzędu patentowego w Zurichu) z sukcesem wdrożono na masową skalę.
[W. Oelen, via Wikimedia Commons]
Czasy I Wojny Światowej spowodowały jeszcze większe zapotrzebowanie na związki azotowe, szczególnie w odciętych od importu Niemczech. Tam też doszło do opracowania wydajnej metody syntezy amoniaku przez dwóch naukowców Fritza Habera i Carla Boscha[5]. Polegała ona na przeprowadzeniu reakcji gazowego azotu z wodorem pod ciśnieniem kilkuset atmosfer w temperaturze kilkuset stopni w obecności żelaza (służącego za katalizator, czyli przyspieszacz procesu). Proces ten jest do dzisiaj praktycznie niezastąpiony.
W połączeniu z opracowaną kilka lat wcześniej metodą Wilhelma Ostwalda utleniania amoniaku można było więc uzyskać olbrzymie ilości kwasu azotowego. To między innymi dzięki nim Niemcy mogły tak długo prowadzić obie wojny światowe będąc samowystarczalnymi w produkcji nawozów i materiałów wybuchowych. Do dzisiaj przeważająca część nawozów sztucznych powstaje w ten właśnie sposób.
Wróćmy jeszcze na chwilę do Fritza Habera. Jest on postacią, która jak w soczewce skupia dramaty i, co tu ukrywać, szaleństwa XX wieku. Oddany pracy na rzecz cesarskich Niemiec, opracował nie tylko wspomnianą metodę syntezy amoniaku, ale również syntezował gazy bojowe. Nawet samobójstwo jego żony, która nie mogła znieść świadomości, że jej mąż przyczynia się do śmierci tylu żołnierzy, nie powstrzymało go od testowania broni chemicznej. Po wojnie został (w 1918 r.) nagrodzony Nagrodą Nobla z chemii, ale nie zarzucił wysiłków na rzecz rozwoju niemieckiego przemysłu chemicznego.
Dla narodowych socjalistów to jednak nic nie znaczyło wobec jego żydowskiego pochodzenia. Po dojściu Hitlera do władzy, zmuszony był porzucić wszystko i wyemigrować do Wielkiej Brytanii, a potem Szwajcarii, gdzie zmarł w 1934 r. To jednak nie koniec historii. Haber w czasie I Wojny Światowej kierował zespołem, który stworzył preparat do zabijania drobnoustrojów i insektów w czasie czyszczenia żołnierskich mundurów. Preparat ten znalazł także zastosowanie w czasie kolejnej wojny. Tym razem do zabijania wielu ludzi, w tym krewnych Habera. Ten preparat był znany pod nazwą Cyklon B…
[1] Odsyłam do średniowiecznej zasady „trójpolówki”
[2] Zachodzi symbioza, a więc „współżycie”, między tymi bakteriami a roślinami motylkowymi.
[3] Czyli TNT: 2,4,6-trinitrotoluenu
[4] W czasach studiów chemicznych na Politechnice Ryskiej działał w organizacjach niepodległościowych, co później zmusiło go do emigracji, a już po zamachu majowym w 1926 r. został prezydentem Rzeczypospolitej Polskiej i praktycznie zakończył pracę naukową
[5] Jego ojciec, również Carl, założył istniejącą do dziś firmę produkującą narzędzia i aparaturę.
Wojciech Smułek