Nhà hoá học Fritz Haber tìm ra cách ép khí nitơ trong không khí kết hợp với hiđrô để tạo thành amoniac, và kỹ sư Carl Bosch biến phát hiện đó thành một quy trình công nghiệp khổng lồ. Phân đạm làm từ quy trình này được nhiều nhà khoa học ước tính đang nuôi sống khoảng một nửa dân số thế giới, kể cả những hạt gạo trong bát cơm của bạn.
Chào bạn, đây là Nhà Hoá Học. Đây có lẽ là phát minh hoá học có ảnh hưởng lớn nhất đến đời sống con người mà ít ai biết tên. Và người phát minh ra nó cũng là một trong những nhân vật gây tranh cãi nhất của lịch sử khoa học.
Biển nitơ mà cây không uống được
Cây cần đạm, tức nitơ, để làm protein và diệp lục. Thiếu đạm, lá vàng, cây còi, hạt lép. Người nông dân Việt Nam biết rõ điều này qua câu nói lúa chiêm lấp ló đầu bờ, hễ nghe tiếng sấm phất cờ mà lên, vì mưa giông có sấm chớp mang theo một ít đạm từ trời xuống.
Điều trớ trêu là không khí quanh ta chứa gần bốn phần năm là khí nitơ. Cây sống giữa một biển nitơ mà không dùng được, vì trong phân tử khí nitơ, hai nguyên tử bám vào nhau bằng một liên kết ba cực kỳ bền. Phá được liên kết đó cần rất nhiều năng lượng.
Trong tự nhiên, chỉ có tia sét và một số vi khuẩn, như vi khuẩn sống ở nốt sần rễ cây họ đậu, làm được việc cố định đạm này. Đó là lý do ông bà mình trồng xen cây họ đậu cho đất tốt.
Cuối thế kỷ mười chín, nông nghiệp châu Âu phụ thuộc vào nguồn đạm khai thác từ phân chim ở các đảo và mỏ diêm tiêu ở Nam Mỹ. Các nhà khoa học cảnh báo những nguồn này sẽ cạn, trong khi dân số tăng nhanh. Thế giới cần một cách lấy đạm từ không khí.
Haber ép nitơ và hiđrô thành amoniac
Về lý thuyết, nitơ và hiđrô có thể kết hợp thành amoniac. Nhưng ở nhiệt độ thường, phản ứng chậm đến mức coi như không xảy ra. Đun nóng thì phản ứng nhanh hơn, nhưng lại nghiêng về phía amoniac phân huỷ ngược lại. Đó là một thế kẹt.
Đầu thế kỷ hai mươi, Fritz Haber, khi đó là giáo sư ở Đức, tìm ra lối thoát bằng ba thứ cùng lúc. Áp suất rất cao, cao gấp hàng trăm lần áp suất khí quyển, đẩy phản ứng về phía tạo amoniac, vì amoniac chiếm ít thể tích hơn. Nhiệt độ vừa phải để phản ứng đủ nhanh mà không quá nghịch. Và một chất xúc tác giúp phá liên kết ba của nitơ dễ hơn.
Ông còn dùng một mẹo thông minh: liên tục tách amoniac ra khỏi hỗn hợp bằng cách làm lạnh cho nó hoá lỏng, rồi cho khí chưa phản ứng quay vòng lại. Như vậy dù mỗi vòng chỉ chuyển hoá được một phần, tổng cộng vẫn đạt hiệu suất cao.
Năm một nghìn chín trăm linh chín, ông trình diễn một thiết bị nhỏ trong phòng thí nghiệm nhỏ giọt ra amoniac lỏng liên tục. Đó là khoảnh khắc thay đổi lịch sử nông nghiệp.
Bosch biến thiết bị bàn thí nghiệm thành nhà máy
Từ một thiết bị trên bàn đến một nhà máy là khoảng cách khổng lồ. Carl Bosch, kỹ sư của một công ty hoá chất lớn ở Đức, nhận nhiệm vụ đó.
Thép thường ở áp suất và nhiệt độ cao bị hiđrô thấm vào làm giòn, nứt vỡ, những bình phản ứng đầu tiên nổ tung. Bosch phải thiết kế bình phản ứng hai lớp đặc biệt. Chất xúc tác ban đầu đắt và hiếm, nên nhóm của ông thử hàng nghìn công thức và tìm ra chất xúc tác gốc sắt rẻ hơn, vẫn được dùng đến ngày nay.
Chỉ trong vài năm, nhà máy đầu tiên đi vào hoạt động. Quy trình mang tên cả hai người: Haber Bosch. Haber nhận giải Nobel Hoá học, và nhiều năm sau Bosch cũng nhận giải Nobel cho công trình về hoá học áp suất cao.
Ngày nay, amoniac từ quy trình này được biến thành phân urê, phân amoni, và nhiều hoá chất khác. Các nhà máy đạm ở Việt Nam cũng dùng nguyên lý ấy, lấy hiđrô từ khí thiên nhiên hoặc từ than, rồi cho amoniac phản ứng tiếp với khí cacbonic thành urê.
Mặt tối trong cuộc đời Fritz Haber
Giờ mình nói sang phần khó kể. Trong Thế chiến thứ nhất, Haber là người tích cực thúc đẩy và trực tiếp chỉ đạo việc dùng khí clo làm vũ khí trên chiến trường. Ông tin rằng đó là phục vụ tổ quốc. Nhiều nhà khoa học thời đó và về sau lên án mạnh mẽ.
Vợ ông, Clara Immerwahr, một trong những phụ nữ đầu tiên ở Đức nhận bằng tiến sĩ hoá học, đã qua đời ngay sau đó trong hoàn cảnh bi thương. Nhiều sử gia cho rằng bà phản đối công việc vũ khí hoá học của chồng, dù động cơ cụ thể vẫn còn được bàn luận.
Trớ trêu hơn, Haber vốn gốc Do Thái. Khi Đức Quốc xã lên nắm quyền, ông buộc phải rời khỏi viện nghiên cứu mình gây dựng và rời nước Đức, qua đời ở nước ngoài chỉ một năm sau. Một loại khí diệt côn trùng được phát triển tại viện của ông, về sau dưới dạng cải biến đã bị Đức Quốc xã dùng trong các trại diệt chủng.
Cùng một con người làm ra thứ nuôi sống hàng tỉ người và thúc đẩy một thứ giết hại hàng nghìn người. Câu chuyện của Haber là lời nhắc rằng hoá học không tự tốt hay xấu, con người quyết định nó được dùng vào đâu.
Cái giá của đạm và câu hỏi cho tương lai
Phân đạm giúp sản lượng lương thực tăng vọt trong thế kỷ hai mươi. Nhưng nó cũng có cái giá. Sản xuất amoniac tiêu tốn một lượng năng lượng rất lớn và thải nhiều khí cacbonic, vì hiđrô chủ yếu lấy từ nhiên liệu hoá thạch.
Khi bón quá nhiều, phần đạm cây không dùng hết bị rửa trôi xuống sông hồ, làm tảo nở hoa, nước thiếu ôxy, cá chết. Một phần biến thành khí nitơ ôxit thoát lên trời, một khí nhà kính mạnh. Nước giếng ở vùng thâm canh có thể nhiễm nitrat.
Vì vậy, các nhà nông học khuyên bón đạm đúng lượng, đúng lúc, chia làm nhiều lần, kết hợp phân hữu cơ, trồng xen cây họ đậu. Nhiều nhóm nghiên cứu đang tìm cách sản xuất amoniac bằng hiđrô từ điện mặt trời, điện gió, để giảm phát thải.
Lần tới nhìn ruộng lúa xanh mướt, bạn có thể nghĩ rằng trong mỗi hạt gạo có những nguyên tử nitơ từng bay lơ lửng trong không khí, được kéo xuống bằng áp suất của một cái bình thép, nhờ ý tưởng của một con người vừa vĩ đại vừa đầy bi kịch.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao gọi là phân đạm?
Đạm là cách gọi dân gian của nitơ trong nông nghiệp, vì nitơ là thành phần chính của chất đạm, tức protein. Phân đạm là phân cung cấp nitơ cho cây.
Phân urê và amoniac khác nhau thế nào?
Amoniac là khí, được tạo trực tiếp từ quy trình Haber Bosch. Urê được làm bằng cách cho amoniac phản ứng với khí cacbonic, ở dạng hạt rắn dễ vận chuyển, dễ bón hơn.
Sấm sét có thật sự bón đạm cho lúa không?
Tia sét có năng lượng rất lớn, phá được liên kết của khí nitơ, tạo ra các ôxit nitơ, theo mưa xuống đất. Lượng đạm này có thật nhưng nhỏ so với nhu cầu của ruộng thâm canh.
Bón nhiều đạm có làm lúa tốt hơn không?
Bón quá nhiều làm lúa lốp đổ, dễ sâu bệnh và lãng phí, gây ô nhiễm. Lượng bón nên theo khuyến cáo của cán bộ nông nghiệp cho từng giống và chân ruộng.
Amoniac có được dùng làm nhiên liệu không?
Amoniac đang được nghiên cứu như một cách chứa và vận chuyển hiđrô, hoặc làm nhiên liệu cho tàu biển, vì khi cháy không thải khí cacbonic. Tuy nhiên nó độc và cần công nghệ an toàn.
