UN NUOVO INVENTARIO TECNOLOGICO: ELETTROCHIMICA, ALTE TEMPERATURE, CATALISI, ALTE PRESSIONI (1890-1940)

 

 

Il sito contiene oltre 1000 pagine. Usate il motore di ricerca!

Molte delle produzioni descritte nella sezione precedente lasciavano intendere tecniche e condizioni di lavorazione non dissimili da quelle usuali in un laboratorio di chimica organica: temperature poco elevate, pressione atmosferica. L'industria chimica però aveva cercato condizioni estreme, creandosi essa stessa i materiali più adatti per realizzarle, non appena l'industria elettromeccanica mise a disposizione generatori abbastanza potenti.

L'industria elettrochimica

La data di nascita della grande industria elettrochimica può essere posta nel 1886, quando P.L.T. Héroult (1863-1914) in Francia e C.M. Hall (1863-1914) negli Stati Uniti brevettarono un processo per la preparazione dell'alluminio che si basava sull'elettrolisi di una soluzione di allumina in criolite fusa. La produzione di alluminio a basso costo, già rilevante di per sé, venne valorizzata a pieno da Hans Goldschmidt (1861-1923) che dopo aver studiato a fondo la riduzione termica degli ossidi metallici mediante polvere di alluminio, ne propose l'uso industriale nel 1898. Nei primi anni del nostro secolo il processo alluminotermico permise la produzione a costi ragionevoli di metalli altrimenti inaccessibili, come cromo, manganese, tungsteno, molibdeno. Ogni ossido metallico richiedeva particolari accorgimenti, ma la temperatura doveva raggiungere in ogni caso almeno i 2200, affinché la ganga di allumina divenisse sufficientemente fluida da separare il metallo. I metalli ottenuti allargarono la produzione di acciai speciali, ampliando ancora l'induzione tecnologica indiretta dell'innovazione di Héroult e Hall; tuttavia essa aveva già avuto un altro effetto notevolissimo, causato in modo piuttosto obliquo.

Un chimico americano, H.Y. Castner (1858-1899), aveva progettato un metodo per ottenere il sodio, con il quale intendeva ridurre l'allumina e ricavare l'alluminio, ed era emigrato in Inghilterra alla ricerca di capitali. Dopo qualche sperimentazione limitata aveva aperto un'officina nel 1888, ma presto la concorrenza del processo elettrolitico rese non remunerativa la sua produzione di alluminio. A questo punto si impegnò a trovare uno sbocco per il sodio, di cui invero c'era una scarsa domanda; dopo un tentativo verso il perossido si concentrò nella produzione del cianuro di sodio. La corsa all'oro in varie parti del mondo e il metodo al cianuro per l'estrazione dei metalli preziosi (brevettato nel 1887) fecero la sua fortuna, così che per stare dietro alla domanda di cianuro cercò un nuovo processo per la preparazione del sodio, trovando conveniente l'elettrolisi della soda caustica. Ma il mercato offriva soda caustica troppo impura per i suoi scopi, e Castner si accinse a prepararla in proprio, mediante un secondo processo elettrolitico, basato su una cella particolare con catodo di mercurio (1894). Il prodotto, puro al 100%, era inedito e trovò un grande mercato esterno all'impresa di Castner nella produzione di carta, tessuti, olii e saponi, infliggendo un ulteriore colpo all'agonizzante industria Leblanc inglese.

La disponibilità di energia elettrica a basso costo aprì una strada diversa dai processi elettrolitici appena descritti. Le fornaci impiegate prima degli anni 1880 erano riscaldate mediante combustibili che bruciavano all'aria, e una parte cospicua dell'energia emessa andava perduta nell'aumentare la temperatura dei prodotti di combustione e dell'azoto inerte dell'aria stessa. Con questo metodo tradizionale era difficile superare i 1200. Con la fornace riscaldata da un arco elettrico, o dalla corrente fatta passare attraverso un reagente che fosse conduttore, si poteva lavorare con temperature fino a 2000, e il limite era dato essenzialmente dai refrattari impiegati. Il primo composto a essere preparato su grande scala con questo metodo fu il carburo di calcio, con un processo proposto ancora una volta contemporaneamente in Francia e negli Stati Uniti nel 1892. Il metodo impiegava come materie prime calce viva e antracite, e si stimava che la temperatura raggiungesse i 2000. Il carburo di calcio serviva per la produzione di acetilene, impiegato per l'illuminazione fino all'introduzione del filamento di tungsteno nelle lampade a incandescenza (1910), ma a partire dal 1905 venne impiegato anche per "fissare" l'azoto atmosferico sotto forma di calciocianamide. Questo composto poteva essere venduto direttamente come fertilizzante, oppure convertito in ammoniaca o in cianuri. Vedremo nella prossima sezione quali importanti sviluppi ebbe la chimica dell'acetilene negli anni fra le due guerre.

La fissazione dell'azoto

Con la produzione della calciocianamide entriamo nel tema di chimica industriale che appariva dominante all'inizio del secolo: la fissazione dell'azoto. La parte più avanzata dell'agricoltura europea utilizzava come fertilizzante ingenti quantità di nitrato di sodio estratto dai depositi naturali del Cile; nell'industria chimica la produzione di coloranti e di esplosivi ne dipendeva totalmente, in quanto era materia prima indispensabile per la preparazione dell'acido nitrico. L'attacco al problema della sostituzione del nitro cileno fu condotto in diverse direzioni, non tutte legate alla fissazione diretta dell'azoto. Da una rapida selezione dei diversi processi emerse una nuova industria, detta appunto industria dell'azoto.

Il primo metodo di fissazione operativo su scala industriale fu quello dei norvegesi Kristian Birkeland (1867-1917) e Samuel Eyde (1866-1940), che riuscirono a rendere praticabile la reazione dell'azoto con l'ossigeno alla temperatura dell'arco voltaico, espandendo l'arco per azione di un campo magnetico. Il processo fu avviato nel 1903 e nel 1905 era pienamente operativo a Notodden; esso era conveniente solo quando il costo dell'energia elettrica era bassissimo.

Un altro processo importante apparve agli inizi del secolo: l'ossidazione catalitica dell'ammoniaca, e la sua trasformazione in acido nitrico. Le reazioni erano note da tempo, ma le condizioni con cui ottenere un'alta resa in acido nitrico erano piuttosto elusive, e sfuggirono a ogni "presa" industriale fino al 1900, quando uno dei fondatori della teoria della catalisi, Wilhelm Ostwald (1853-1932), ne iniziò lo studio. Nel 1902 vennero presi i brevetti, e il primo impianto fu eretto nel 1908 nella cokeria di Gerthe nella Ruhr; alla vigilia della guerra forniva circa 250 t di acido nitrico al giorno. La posizione di questo processo nel problema della fissazione dell'azoto fu assolutamente centrale: da una parte apriva la strada verso l'acido nitrico ai metodi sintetici che, come quello della calciocianamide, davano azoto fissato sotto forma di ammoniaca; dall'altra permetteva una parziale rimozione del problema stesso della fissazione, in quanto ovunque nel mondo civilizzato erano potenzialmente disponibili enormi quantità di ammoniaca, di solito fermata come solfato d'ammonio nelle acque di lavaggio del gas di cokeria. Quale delle due strade dovesse essere seguita dipendeva evidentemente dai costi di produzione dell'ammoniaca. Solo le necessità belliche riuscirono comunque a imporre il processo Ostwald, in quanto la disponibilità del nitro del Cile lo rendeva poco appetibile in tempo di pace. Una verifica si ha nel fatto che inizialmente la basf, partendo dal metodo Haber-Bosch, produsse solo ammoniaca sintetica e solfato d'ammonio.

Il metodo fondamentale di fissazione dell'azoto, quello della sintesi diretta dell'ammoniaca dagli elementi, divenne una realtà scientifica, tecnica e industriale nello specialissimo clima culturale della Germania imperiale, dove nessun scienziato, qualunque fosse il suo livello di astrazione accademica, era in effetti disinteressato alle applicazioni pratiche delle sue idee. I tentativi di laboratorio di sintetizzare ammoniaca da idrogeno e azoto nacquero infatti da una dura polemica fra Walter Nernst (1864-1941) e Fritz Haber (1868-1934) sul valore da assegnare alle costanti d'equilibrio della reazione. Entrambi i contendenti erano perfettamente consci del senso economico della loro discussione, e dal loro sforzo congiunto Haber fu trascinato a mettere a punto nel 1908 un apparecchio dimostrativo, che con un catalizzatore a base di uranio, e operando a 550 e 200 atmosfere, permetteva di ottenere una miscela gassosa così ricca in ammoniaca che questa poteva essere liquefatta per semplice raffreddamento. La basf fu subito contattata, ma i dirigenti della grande impresa che si recarono a Karlsruhe per assistere a una dimostrazione di Haber erano alquanto scettici. Cari Bosch (1874-1940) non si fermò nemmeno abbastanza a lungo per vedere funzionare l'apparecchio di Haber (che data l'importanza dell'occasione si era messo a fare le bizze), ma Alwin Mittasch (1869-1953) rimase, e potè constatare la "facilità" della sintesi. Nel 1910 cominciò a funzionare un impianto pilota a Ludwigshafen, e nel 1913, con il superamento di grandi difficoltà ingegneristiche, e dopo l'esplorazione di centinaia di catalizzatori da parte di Mittasch, fu aperto lo stabilimento di Oppau, in cui operavano giganteschi reattori del peso di 8 t. Durante la guerra la basf costruì un secondo impianto a Leuna, con una produzione complessiva al termine del conflitto di 95.000 t di azoto fissato, circa la metà del consumo tedesco.

La diffusione delle sintesi ad alta pressione

Al momento dell'armistizio gli ufficiali alleati visitarono l'impianto di Oppau con il meravigliato rispetto che imponeva questo tempio della tecnologia chimica, ma intanto altri scienziati-tecnici in Francia e in Italia mettevano a punto nuove varianti del processo. Georges Claude (1870-1960), uno dei massimi esperti di reazioni in fase gassosa, faceva operare i suoi impianti in condizioni estremamente severe, mentre condizioni un po' più blande erano ammesse da Luigi Casale (1882-1927), un tecnico-imprenditore indipendente, il cui processo ebbe ampia diffusione negli anni '20. Nel 1923 entrò in funzione il primo impianto (quasi artigianale) di Giacomo Fauser (1892-1971), che aveva introdotto modifiche sostanziali rispetto al processo Haber-Bosch. Il primo impianto su grande scala che lavorava con i brevetti Fauser-Montecatini fu inaugurato a Merano nel 1926, e da allora questo processo si diffuse in tutto il mondo.

Come spesso avviene sia nel campo della conoscenza "pura" sia in quello della conoscenza "applicata", le tecniche acquisite nel trattamento di gas ad alte pressioni trovarono sbocchi imprevedibili, in settori molto lontani da quello originale. Il punto di partenza di questi sviluppi va trovato nelle ricerche di Paul Sabatier (1854-1941) sull'idrogenazione di composti organici insaturi mediante l'azione catalitica di metalli finemente suddivisi, in particolare nichel (1897). Nel 1902 in Germania K. Normann brevettò un processo che permetteva la preparazione di grassi solidi per uso alimentare a partire da olii; l'idrogeno veniva fatto gorgogliare in olio caldo in cui era stato sospeso nichel suddiviso. Il metodo permetteva di commercializzare sotto forma di margarina l'olio di semi di cotone (Stati Uniti) o gli olii di pesce (Europa). Normann lavorava a pressione atmosferica, ma il russo Vladimir N. Ipatieff (1867-1952) si era fatto da tempo assertore dell'impiego delle alte pressioni anche nelle sintesi organiche, e all'inizio degli anni 1910 questa tecnica fu impiegata nell'idrogenazione dei grassi. Nella stessa direzione si mosse Frederich Bergius (1884-1949); allievo di Nernst e di Haber nel 1913 brevettò un procedimento per l'idrogenazione del carbon fossile, adatto a produrre idrocarburi volatili. Nel 1925 Bergius cedette i suoi diritti alla basf; le connessioni con le tecniche sviluppate in funzione della sintesi dell'ammoniaca erano evidenti: uso di grandi quantità di idrogeno e impiego di alte pressioni. Il processo fu perfezionato da Bosch, che per questo condivise con Bergius il premio Nobel per la chimica nel 1931. Il Nobel sanzionava l'acuto interesse economico e strategico che il processo suscitava, invero non a torto, in quanto durante la seconda guerra mondiale partecipò equamente allo sforzo bellico della Germania e dell'Inghilterra. E qui dobbiamo ancora ricordare un altro processo volto alla produzione di carburanti sintetici, quello dovuto ad altri due tedeschi, Franz Fischer (1877-1947) e Hans Tropsch (1889-1935). Secondo questi due ricercatori il gas d'acqua (una miscela di idrogeno e ossido di carbonio) veniva fatto passare a 200 e a pressioni moderate su opportuni catalizzatori; si ottenevano idrocarburi adatti all'impiego come combustibile per motori a scoppio. La produzione commerciale iniziò nel 1935, e si sviluppò grandemente durante la guerra. Dal punto di vista conoscitivo va notato che il processo Fischer-Tropsch si pone in una zona di transizione fra ciò che può essere detto inorganico (i reagenti, idrogeno e ossido di carbonio) e ciò che può essere detto organico (idrocarburi) ; dal punto di vista economico e politico ricordiamo che agli inizi degli anni 1970 l'unico impianto di questo tipo era mantenuto in funzione in Sud Africa dal governo razzista di quel paese, a salvaguardia delle conseguenze di un embargo petrolifero.

<precedente|seguente>