Procédé Haber - Définition

Introduction

Le procédé Haber est un procédé chimique destiné à synthétiser de l'ammoniac (NH₃) par hydrogénation du diazote (N₂) gazeux atmosphérique par le dihydrogène (H₂) gazeux en présence d'un catalyseur.

Le chimiste allemand Fritz Haber parvint, en 1909, à mettre au point un procédé chimique qui permettait d'extraire du diazote atmosphérique sous forme d'ammoniac liquide, c'est le procédé Haber.

Une équipe de recherche de la société BASF parvint, en 1913, à mettre au point la première application industrielle du procédé Haber : c'est le procédé Haber-Bosch. Le responsable de son industrialisation, Carl Bosch, agissait à la fois comme superviseur de l'équipe et comme concepteur, apportant des solutions originales à certains problèmes posés lors de sa mise au point.

Le procédé Haber-Bosch a une importance économique considérable, car il est difficile de fixer l'azote, en grandes quantités et à un coût peu élevé, à l'aide des autres procédés mis au point. L'ammoniac ainsi obtenu sert le plus souvent à créer des engrais azotés synthétiques, lesquels sont essentiels pour alimenter le tiers de la population mondiale au début du XXI^e siècle. Par exemple, le sel d'ammonium et le nitrate, obtenus à partir de l'ammoniac, servent à la fabrication de l'urée et du nitrate d'ammonium. Le procédé a également une importance militaire certaine, car l'ammoniac peut être transformé en acide nitrique, précurseur de la poudre à canon et d'explosifs puissants (comme le TNT et la nitroglycérine).

Appareil de laboratoire utilisé par Fritz Haber pour synthétiser de l'ammoniac en 1909. Photographie prise en juillet 2009 au Musée juif de Berlin.

Histoire

Bien que l'atmosphère soit composée à 78,1% de diazote gazeux, il est chimiquement peu réactif car les atomes qui le composent sont reliés par une liaison covalente triple. Même si l'azote est essentiel à la croissance des êtres vivants, toutes les plantes (à quelques exceptions près), tous les animaux et tous les humains sont incapables de l'assimiler directement. Par contre, certaines bactéries sont capables de le fixer dans le sol ou dans les excréments, comme le guano, le rendant ainsi disponible comme engrais. À partir des années 1820, le guano importé des îles Chincha permit aux agriculteurs européens d'améliorer notablement les rendements agricoles. Lorsque ces gisements furent épuisés vers la fin des années 1860, les minéraux en provenance du désert d'Atacama, chimiquement modifiés, permirent de maintenir les rendements agricoles. En 1900, le Chili produisait les deux tiers de tous les engrais consommés sur la planète.

À partir du milieu du XIX^e siècle, plusieurs tentatives furent faites pour extraire le diazote de l'atmosphère, certaines obtinrent le succès. L'une des plus abouties fut le procédé Birkeland-Eyde exploité par Norsk Hydro : pendant la Première Guerre mondiale, cette société put produire annuellement jusqu'à 30 000 tonnes d'azote fixé. Également, à partir des années 1850, l'industrie du charbon parvint à extraire l'ammoniac comme sous-produit lors de la fabrication du coke : elle fut le plus important producteur d'ammoniac avant la mise au point du procédé Haber-Bosch, moins coûteux.

Fritz Haber. Photographie prise en 1918.

C'est en 1909 que Fritz Haber, avec l'aide de Robert le Rossignol, compléta la mise au point d'un prototype de laboratoire qui mettait en lumière les principes de ce qui est appelé le « procédé Haber ». Pour produire une quantité significative d'ammoniac selon l'équation chimique à l'équilibre :

N_2(g) + 3 H_2(g) ⇌ 2 NH_3(g) + ΔH,

il faut déplacer son équilibre vers la droite. Pour y parvenir, il faut imposer une pression élevée, maintenir une température faible (puisque la réaction est exothermique), utiliser un catalyseur et retirer régulièrement de l'ammoniac. En pratique, la réaction est cependant très lente à de basses températures. Elle se fait donc à une température plus élevée (environ 450 °C) qui permet d'obtenir une quantité appréciable d'ammoniac dans un temps satisfaisant. De plus, pour des raisons de coûts, la transformation des réactifs est incomplète (de l'ordre de 15 %), mais il est possible de recycler les réactifs qui n'ont pas réagi.

La société BASF, ayant acquis les droits sur le procédé en 1908, assigna à Carl Bosch la tâche de l'industrialiser. Pour y parvenir, Bosch et ses collaborateurs durent résoudre plusieurs problèmes techniques de 1909 à 1913. Par exemple, pour maintenir l'intégrité physique des appareils de production en cas de bris, il fallait que le système de production soit rapidement arrêté : ils mirent au point un ensemble d'instruments destinés à surveiller l'évolution en continu des réactions chimiques, une nouveauté à l'époque. À cause de l'apport déterminant de Bosch à son industrialisation, il est aussi appelé « procédé Haber-Bosch ».

La première production industrielle d'ammoniac mettant en application le procédé Haber-Bosch débuta en 1913. Le site d'Oppau en Allemagne put produire 30 tonnes d'ammoniac par jour la même année. En 1917, pendant la Première Guerre mondiale, BASF construisit un deuxième site, de capacité plus élevée, près de Mersebourg. Le site de Leuna produisit 36 000 tonnes d'ammoniac en 1917, l'année d'après, c'était 160 000 tonnes. La presque totalité de sa production était destinée à l'armée allemande.

Après la guerre, plusieurs pays alliés confisquèrent les brevets de BASF sur le procédé Haber-Bosch. Ce n'était cependant pas suffisant pour le maîtriser. Pour limiter les représailles après la Première Guerre mondiale, Carl Bosch fit un pacte avec les autorités françaises, promettant de révéler les secrets du procédé. La société britannique Brunner Mond les acquit par espionnage industriel, alors que la société américaine Du Pont débaucha des techniciens senior de BASF. Dans les années 1920, le Français Georges Claude, l'Italien Giacomo Fauser, l'Italien Luigi Casale et l'Allemand Friedrich Uhde développèrent chacun un procédé semblable à celui de Haber-Bosch.

En 1925, BASF devint membre d'IG Farben. Jusqu'en 1930, c'était le plus grand producteur mondial d'ammoniac synthétique. En 1927, il fabriqua environ 500 000 tonnes d'ammoniac. De 1929 à 1932, ce fut environ 1 million de tonnes par année.

En 2006-2007, la production mondiale d'engrais azotés a atteint environ 265 000 tonnes par jour.