Precies 180 jaar geleden, in 1842, vroeg de Britse agronoom John B. Lawes een patent aan voor een calciumfosfaat dat hij met zwavelzuur behandeld had. Hij doopte het ‘superfosfaat’ en kreeg er betere oogstopbrengsten mee: de eerste kunstmeststof was daarmee een feit. Een intense speurtocht naar de ideale voeding voor planten ging eraan vooraf. 

In de jaren 1850 had iedereen gezien dat planten beter groeien met nitraat dan met ammoniak. De jonge discipline bodembacteriologie onthulde het nitrificatieproces in 1877: eerst treedt een bacteriologische omzetting op van ammoniak in nitriet en daarna in nitraat. In 1890 identificeert Winogradsky de micro-organismen die daarvoor verantwoordelijk zijn. Maar dit ene proces kan onmogelijk de exploderende vraag naar nitraat beantwoorden. De jacht op nitraten was dus geopend. Vanaf 1850 krijgt het verhaal een politieke wending die zal leiden tot de Haber-Bosch-synthese en de fabricatie van ammoniumnitraat.  

Stikstofhoudende kunstmeststoffen 

Stikstof is een belangrijke voedingsstof voor planten, maar die kunnen het over het algemeen niet direct opnemen. Van oudsher werd daarom guano (zeevogelresten) uit Peru en Chili over grote delen van de wereld als meststof gebruikt. Vanaf 1843 vindt het ook in de lage landen toepassing.  

Maar nadat Spanje in 1866 een deel van de guano-rijke eilanden voor de kusten van Peru en Chili opeist, gaat de import van guano na 1870 stelselmatig achteruit wegens uitputting van de voorraden, schade aan het milieu, verstoring van de vogelwereld en terugloop van de vraag. Chili voelt zich bedreigd en er ontstaat een oorlog met buurlanden Peru en Bolivia (de ‘nitraatoorlog’, 1879-1883). 

Chilisalpeter

Chilisalpeter volgt guano op. Dit is een delfstof afkomstig uit een van de meest onherbergzame streken van de wereld: de Atacama-woestijn in Chili. De calichelaag (calciumcarbonaat) van de minerale afzettingen bevat voornamelijk NaNO₃, maar ook andere nitraten, sulfaten, chloridezouten en meer. Chilisalpeter maak je door de calichebrokken op te lossen in bakken water en te verhitten tot 120°C. De salpeter kristalliseert dan bij afkoeling en wordt daardoor geconcentreerd tot een zuiverheid van 96%. De ontginning start rond 1830 en bereikt een piek tijdens de eerste wereldoorlog door de productie van springstoffen, maar na de ontdekking van het Haber-Bosch proces (1917) stort de productie in. 

In 1853 worden in het Duitse Stassfurt en omstreken zoutmijnen ontdekt, rijk aan kaliumnitraat. Vanaf de eerste wereldoorlog wordt KNO₃ vooral voor oorlogsdoeleinden gebruikt en niet langer tegen hongersnood, tot ook deze handel instort. Elk land gaat koortsachtig op zoek naar nitraten en ammoniak die niet uit de natuur maar uit de fabriek komen.  

Haber-Bosch 

Die zoektocht naar andere bronnen voor nitraat neemt nu een industriële en politieke wending. De vraag is: hoe maak je ammoniumnitraat uit zijn componenten? Waar haal je voldoende ammoniak en salpeterzuur vandaan? Zijn er alternatieven? De kunstmeststoffenindustrie kan aan een stormachtige ontwikkeling in Europa beginnen.  

Reeds vanaf ca. 1850 is men op zoek naar procedés om ammoniak te produceren door ofwel stikstof rechtstreeks uit de lucht te halen (Birkeland-Eyde-procedé) ofwel uit de gassen die bij de cokesproductie ontstaan. Maar pas in 1909 vinden Fritz Haber en Robert Le Rossignol een proces om ammoniak rechtstreeks uit de elementen te synthetiseren, zij het onder hoge druk en temperatuur en met een katalysator. 

Kort daarna koopt BASF het patent en stuurt zijn technicus Carl Bosch om enkele prangende technische problemen op te lossen. In 1913 gaat een eerste fabriek van start in Oppau, een tweede in Merseburg. Maar de volledige productie is voor het Duitse leger bestemd. Bij de vrede van Versailles (1919) eist Frankrijk de volledige ontmanteling van de Duitse industrie. Bosch, die lid was van de Duitse delegatie, voorkomt dit door zijn patenten aan de geallieerden te geven. Tussen 1920 en 1930 zien verschillende varianten van het proces het levenslicht dankzij de wetenschappers Claude, Fauser, Casale en Uhde. In 1925 wordt BASF lid van IG Farben, die de grootste producent blijft tot 1930. In 2016 bedroeg de wereldwijde ammoniumnitraatproductie 170 miljoen ton. 

Cokes 

Een andere methode om ammoniak te produceren danken we aan de bereiding van cokes, of algemener aan de pyrolyse van stikstofhoudende organische stoffen. De verbranding van steenkool levert enerzijds cokes op, maar anderzijds ook gassen, een waterige laag en teer. De gassen bestaan uit een mengsel van onder andere waterstof, ammoniak, CO, methaan en benzeen. Leid je dat door water dan win je ammoniakwater. De waterige laag bevat onder andere ammoniumcarbonaat waaruit je allerhande ammoniumzouten zoals ammoniumsulfaat kunt winnen. 

De volgende fase in de productie van ammoniumnitraat is de productie van salpeterzuur. Reeds in 1838 laat de Franse chemicus Frederic Kuhlmann zuurstof uit de lucht reageren met ammoniak tot stikstofoxide en lost dit op in water tot salpeterzuur. In 1906 werkt Wilhelm Ostwald dit uit tot een industrieel proces, gebaseerd op de gekatalyseerde oxidatie van ammoniak tot NO bij 700°C. 

Fosforhoudende kunstmeststoffen 

In de natuur komen drie fosfaten voor: het in water onoplosbare tertiaire calciumfosfaat Ca₃(PO₄)₂ in beenderen en in apatiet; het weinig oplosbare secundaire CaHPO₄ en het oplosbare primaire Ca(H₂PO₄)₂.  

Calciumfosfaat is de bijzonderste bron van fosforzuur die planten nodig hebben voor een normale ontwikkeling, maar die nemen het ruwe fosfaat slechts zeer langzaam op. Om het in een opneembare vorm om te zetten wordt vermalen fosfaat behandeld met zwavelzuur om primair calciumfosfaat en gips te vormen. 

Ca₃(PO₄)₂ + ₂ H₂SO₄ –> Ca(H₂PO₄)₂ + 2 CaSO₄ 

Er is nog een andere manier om aan fosfaat te komen. Het ijzer uit de hoogovens (gietijzer) bevat nogal wat onzuiverheden – waaronder silicium, mangaan, fosfor en zwavel – die de kwaliteit van het latere staal verminderen. Het zuiveren van het ruwe ijzer gebeurt veelal tijdens het Bessemerproces door oxidatie met zuurstof uit de lucht. De onzuiverheden oxideren maar het ijzer reduceert het fosfor opnieuw. Om dit te verhinderen bekleed je de binnenwand van het Bessemervat met dolomiet [CaMg(CO₃)₂] en voeg je ongebluste kalk toe waardoor calcium- en magnesiumfosfaat ontstaan met P₂O₅, wat – na vermaling – de bekende kunstmeststof thomasslakkenmeel oplevert. De uitvinder, Sidney Gilchrist Thomas, was een politiebeambte en gefascineerd door scheikunde. Op aansturen van zijn professor vond hij in 1875 bovenstaande methode om fosfor uit ijzer te verwijderen.   

Kaliumhoudende kunstmeststoffen 

Kaliumzouten zijn onontbeerlijk voor de groei van planten: ze zorgen voor stevigheid en transport in de plant. Naarmate de planten meer en meer zouten opnemen, moet je de akkergrond aanvullen. 

Potas, van oudsher bekend als meststof, is een mengsel van kaliumzouten (met vooral kaliumcarbonaat, K₂CO₃), afkomstig uit de as van verbrande bomen, land- en zeeplanten. Ook kaliumsulfaat, -nitraat en -chloride komen er in voor. Na uitlogen van de as en verdamping in grote ijzeren potten blijft potas als een wit poeder over. Deze industrietak verloor haar belang toen vanaf 1852 de kalimijnen in Stassfurt (Duitsland) tot volle bloei kwamen. Later werden ook mijnen in de Elzas en Saskatchewan (Canada) ontdekt.  

Een ander product, patentkali, heeft een hoog magnesium- en zwavelgehalte en een laag chloridegehalte. Magnesium, veelal afkomstig van kieseriet, is onmisbaar voor de fotosynthese vanwege zijn aanwezigheid in chlorofyl.