Química de joseleg, lenguaje químico: Reacciones químicas

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jueves, 24 de junio de 2021

Ecuaciones químicas

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Para comunicarse entre sí, los químicos han desarrollado un método estandarizado para representar as reacciones químicas llamado, la ecuación química, la cual se componen de fórmulas químicas y símbolos de condiciones de reacción, las cuales en su conjunto deben resumir un proceso que ocurre en el mundo físico.

Especie química

Una especie química es una sustancia con un comportamiento fijo en sus reacciones. Es decir, podemos tener cantidades diferentes obtenidas de lugares, modos y momentos diferentes, pero al ser la misma especie/sustancia compartirán exactamente sus mismas propiedades como el color, el sabor, la densidad, la conductividad y la reactividad entre muchos otros. Una característica primordial es que una especie es una sustancia que se encuentra en estado de pureza cuyas propiedades se manifiestan de manera igual en cualquier porción que se emplee para estudiarlas.

Grupos funcionales

Muchas especies diferentes poseen un comportamiento análogo, es decir, presentan un grupo de reacciones similares frente a la acción de un buen número de reactivos. Estas especies químicas se reúnen para su estudio y al analizarlas se ha determinado que generalmente comparten un grupo de elementos enlazados de una manera similar. A esta agrupación atómica común la denominamos grupo funcional. Independientemente de si se trata de sustancias o grupos funcionales, el modelo que de ellos nos hacemos en las ecuaciones químicas se basa en las fórmulas químicas que pueden ser moleculares o estructurales, aunque también se pueden emplear símbolos generales no relacionados con una sustancia en concreto, en este caso generalmente se emplean mayúsculas. Toda ecuación química intenta ser una representación de la balanza estequiométrica o ley de la conservación de la materia.

Balance y producción

La balanza estequiométrica se representa de cuatro formas:

Igualdad o balance en masa

Se emplea el símbolo de igualdad = únicamente para representar que la masa es constante a un nivel netamente matemático.

Producción irreversible

La flecha simple nos indica la dirección de una reacción química, la cual puede ser produce → que se emplea para reacciones en un solo sentido, típicas de los procesos inorgánicos.

Producción reversible sin equilibrio

Las líneas dobles ⇆ empleadas para representar reacciones reversibles que aún no alcanzan el equilibrio químico.

Producción reversible en equilibrio

Las flechas ⇌ se emplean para reacciones reversibles que han alcanzado un equilibrio químico.

Mezclas

El símbolo de suma + sirve para indicar las especies químicas que deben mezclarse para ejecutar la reacción y/o para representar las especies químicas de salida que se desprenden de la reacción, que pueden estar mezcladas inicialmente y separarse posteriormente por diferencias en sus propiedades físicas.

Cargas

Otro tipo de símbolos comunes son los de carga, que se dividen en virtuales y iónicos, los virtuales (Fe⁺³) representan los estados de oxidación y se escriben tenuemente o a lápiz sobre el símbolo del elemento, mientras que los iónicos (Fe³⁺) se representan obligatoriamente como un superíndice en los iones permanentes. La carga iónica en un grupo de átomos afecta globalmente al grupo, por ejemplo, el ion sulfato (SO₄^2-) tiene una carga relativa z(SO₄^2-) = -2, pero a su vez cada elemento en el ion tiene su propia carga relativa virtual que aporta a la carga neta del ion z(O) = -2 y z(S) = +6

Coeficiente estequiométrico o número estequiométrico

Para que la masa se conserve, es común tener que emplear más de una molécula en los reactivos y los productos, para representar más de una molécula por evento de reacción debemos emplear símbolos de cantidad llamados coeficientes o números estequiométricos (v_i). Existen tres formas de representar los coeficientes estequiométricos.

- Símbolo general (v_i), muy compun en textos de fisicoquímica, pero prácticamente ausente en textos de química general.

- Mediante símbolos algebraicos, en este caso se emplean minúsculas, y nuevamente, se emplean para representar procesos generales aA + bB → cC + dD.

- Mediante numerales arábigos O₂ + 2H₂ → 2H₂O y es el método que empleamos para igualar la cantidad de átomos a ambos lados del símbolo de la balanza estequimétrica.

La ley de la conservación de la masa nos determina que la cantidad de átomos a un lado debe ser la misma al otro.

Estado de la materia

Los símbolos de estado de materia también pueden ser importantes ya que están asociados a estados energéticos, en este caso se emplean como subíndices al pie de las fórmulas moleculares entre paréntesis, siendo estos: (s) sólidos cristalinos o amorfos, (l) líquidos puros, (g) gases, (aq) mezclas en agua o acuoso y (p) plasma.

Flujo de energía

La energía puede ser representada de múltiples formas, una de las más comunes es la calórica. El símbolo de energía calórica se representa con la letra griega delta mayúscula Δ, la cual puede ubicarse como reactivo, como producto o como condición física sobre la flecha.

Ecuación química para una reacción exotérmica.

Ecuación química para una reacción endotérmica.

En general la Delta representa calor en forma de fuego, para otras formas de energía se pueden emplear otros símbolos, siendo el más general (E). En las ecuaciones 2, 3, y 4 se muestran diversos modos de representar el calor en una reacción química, sea como producto, reactivo o condiciones. Si existen otros tipos de energía o desea una notación más general puede reemplazar delta por que implica energía en términos generales.

Vapores y cristales

Cuando tenemos sustancias en estados acuosos o líquidos que reacción para generar gases o sólidos tenemos reacciones de evaporación o precipitación. Cuando el concepto de la evaporación o la precipitación son importantes y se desea remarcarlo, se emplean los símbolos de precipitación (↓) y evaporación (↑) siempre después de la fórmula molecular.

Catalizadores

Los catalizadores son sustancias que intervienen en la reacción pero que no se consumen, se colocan como condición de reacción sobre la flecha. Pueden ser elementos, fórmulas moleculares con indicadores de pureza, o nombres de enzimas que pueden ser solo las siglas.

Reacción catalizada por platino metálico.

Reacción catalizada por una solución de ácido sulfúrico al 98%

Reacción catalizada por una enzima "proteína especializada en catalizar". Las proteínas son productos de los seres vivos generadas por el ADN.

Otras condiciones físicas

Otras condiciones físicas pueden aparecer en las fórmulas, como la electricidad simbolizada como e^-, la luz, la presión y la temperatura. La luz no tiene un símbolo estándar, así como la presión o la temperatura por lo que se emplean sus valores numéricos con sus unidades asociadas, por ejemplo la luz verde se asocia a rangos entre 495 y 570 nm; para la presión normalmente se emplea la unidad atmósfera, por ejemplo la presión estándar normal es de 1 atm al nivel del mar, aunque se pueden emplear otras unidades; para la temperatura se pueden emplear las unidades °C o K, por ejemplo la congelación del agua en condiciones estándar es a 0°C o 273,15 K.

Reacciones acopladas

En ocasiones, especialmente en bioquímica, dos líneas de rutas de reacción pueden combinarse en un paso denominado reacción acoplada, para volver a separarse. Estos pasos de acoplamiento generalmente involucran una ruta principal que se simboliza normalmente y una ruta acoplada que se simbólica con una flecha de produce curvada.

La deshidrogenación del etanol es una reacción clave en las rutas metabólicas relacionadas con las bebidas alcohólicas.

miércoles, 23 de junio de 2021

Historia del estudio de las reacciones

Antoine Lavoisier desarrolló la teoría de la combustión como una reacción química con oxígeno. Las reacciones químicas como la combustión en el fuego, la fermentación y la reducción de los minerales a los metales se conocen desde la antigüedad. Las teorías iniciales de la transformación de los materiales fueron desarrolladas por los filósofos griegos, como la teoría de los cuatro elementos de Empédocles que establece que cualquier sustancia se compone de los cuatro elementos básicos: fuego, agua, aire y tierra. En la Edad Media, las transformaciones químicas fueron estudiadas por los alquimistas. Intentaron, en particular, convertir el plomo en oro, para lo cual usaron reacciones de plomo y aleaciones de plomo y cobre con azufre (Eliade & Ledesma, 1974). La producción de sustancias químicas que normalmente no se producen en la naturaleza se ha intentado durante mucho tiempo, como la síntesis de ácidos sulfúricos y nítricos atribuidos al controvertido alquimista Jābir ibn Hayyān (Holmyard, 1923). El proceso involucró el calentamiento de minerales de sulfato y nitrato, como sulfato de cobre, alumbre y salitre. En el siglo XVII, Johann Rudolph Glauber produjo ácido clorhídrico y sulfato de sodio al reaccionar con ácido sulfúrico y cloruro de sodio. Con el desarrollo del proceso de cámara de plomo en 1746 y el proceso de Leblanc, permitiendo la producción a gran escala de ácido sulfúrico y carbonato de sodio, respectivamente, las reacciones químicas se implementaron en la industria. La optimización adicional de la tecnología de ácido sulfúrico dio como resultado el proceso de contacto en la década de 1880 (Sherif, 1980), y el proceso de Haber se desarrolló en 1909-1910 para la síntesis de amoníaco (Modak, 2002).

Figura 6. Antoine Lavousier y su esposa Marie.

Desde el siglo XVI, investigadores como Jan Baptist van Helmont, Robert Boyle e Isaac Newton intentaron establecer teorías de las transformaciones químicas observadas experimentalmente. La teoría del flogisto fue propuesta en 1667 por Johann Joachim Becher. Postuló la existencia de un elemento parecido al fuego llamado "flogisto", que se encontraba dentro de cuerpos combustibles y se soltó durante la combustión. Esto resultó ser falso en 1785 por Antoine Lavoisier, quien encontró la explicación correcta de la combustión como reacción con el oxígeno del aire (Banchetti-Robino, 2015; Best, 2015; Smeaton, 1989). Joseph Louis Gay-Lussac reconoció en 1808 que los gases siempre reaccionan en una cierta relación entre ellos. Sobre la base de esta idea y la teoría atómica de John Dalton, Joseph Proust había desarrollado la ley de proporciones definidas, que más tarde dio lugar a los conceptos de estequiometría y ecuaciones químicas. Con respecto a la química orgánica, durante mucho tiempo se creyó que los compuestos obtenidos a partir de organismos vivos eran demasiado complejos como para obtenerse sintéticamente. Según el concepto de vitalismo, la materia orgánica estaba dotada de una "fuerza vital" y se distinguía de los materiales inorgánicos. Sin embargo, esta separación terminó con la síntesis de urea de precursores inorgánicos de Friedrich Wöhler en 1828 (McKie, 1944; Ramberg, 2000). Otros químicos que aportaron importantes contribuciones a la química orgánica incluyen a Alexander William Williamson con su síntesis de éteres y Christopher Kelk Ingold, quien, entre muchos descubrimientos, estableció el mecanismos de reacciones de sustitución.

Las reacciones químicas

Una reacción química es un proceso que conduce a la transformación química de un conjunto de sustancias químicas a otras. Clásicamente, las reacciones químicas abarcan cambios que solo involucran las posiciones de los electrones en la formación y ruptura de enlaces químicos entre átomos, sin cambios en los núcleos (sin cambios en los elementos presentes), y a menudo pueden describirse mediante una ecuación química. La química nuclear es una subdisciplina de la química que involucra las reacciones químicas de elementos inestables y radiactivos donde pueden ocurrir cambios tanto electrónicos como nucleares.

Figura 3. Sodio metálico en gas de cloro y catalizador de agua (YouTube).

La sustancia (o sustancias) inicialmente involucradas en una reacción química se llaman reactivos o reactantes. Las reacciones químicas generalmente se caracterizan por un cambio químico, y producen uno o más productos, que generalmente tienen propiedades diferentes de los reactivos. Las reacciones a menudo consisten en una secuencia de subpasos individuales, las llamadas reacciones elementales o intermediarias, y la información sobre el curso preciso de la acción es parte del mecanismo de reacción. Las reacciones químicas se describen con ecuaciones químicas, que simbólicamente presentan los materiales de partida, los productos finales y, a veces, los productos intermedios y las condiciones de reacción.

Figura 4. Sodio metálico en agua (YouTube).

Las reacciones químicas ocurren a una velocidad de reacción característica a una temperatura y concentración químicas dadas. Típicamente, las velocidades de reacción aumentan al aumentar la temperatura porque hay más energía térmica disponible para alcanzar la energía de activación necesaria para romper enlaces entre átomos. Las reacciones pueden avanzar en dirección hacia adelante o hacia atrás hasta que lleguen a su finalización o alcancen el equilibrio. Las reacciones que avanzan en la dirección de avance para acercarse al equilibrio a menudo se describen como espontáneas, y no requieren entrada de energía libre para avanzar. Las reacciones no espontáneas requieren la entrada de energía libre para seguir adelante (los ejemplos incluyen cargar una batería mediante la aplicación de una fuente de energía eléctrica externa, o la fotosíntesis impulsada por la absorción de radiación electromagnética en forma de luz solar).

Figura 5. Cambios de acidez con indicador de color de fenolftaleína (YouTube).

Se usan diferentes reacciones químicas en combinaciones durante la síntesis química para obtener un producto deseado. En bioquímica, una serie consecutiva de reacciones químicas (donde el producto de una reacción es el reactivo de la siguiente reacción) forma vías metabólicas. Estas reacciones a menudo son catalizadas por enzimas proteicas. Las enzimas aumentan las tasas de reacciones bioquímicas, por lo que las síntesis metabólicas y las descomposiciones imposibles en condiciones normales pueden ocurrir a las temperaturas y concentraciones presentes dentro de una célula. El concepto general de una reacción química se ha extendido a las reacciones entre entidades más pequeñas que los átomos, incluidas las reacciones nucleares, las desintegraciones radiactivas y las reacciones entre partículas elementales, como se describe en la teoría cuántica de campos.

Cambios químicos y físicos

El cambio en la naturaleza puede dividirse en dos amplias categorías, los cambios físicos y los cambios químicos. Recordemos que, en general los cambios físicos se distinguen de los químicos en que los primeros no alteran la naturaleza de la materia, por ejemplo, acelerar una pieza de hierro a una velocidad de unos 700 km/h no afecta la composición de los átomos en su interior.

Figura 1. Los cambios químicos involucran alteraciones en la apariencia, propiedades y composición de la materia.

Por el contrario, los cambios químicos si afectan la naturaleza misma de las sustancias. Cuando el hierro reacciona con oxígeno altera su composición dejando de ser una estructura brillante y metálica, para convertirse en un polvo rojo ocre llamado óxido. Las reacciones químicas son descripciones de estos procesos. Dado que una reacción química es un proceso empírico, es necesario generar un modelo que permita entenderlo, y más aún, controlarlo.

Figura 2. La puerta de Isthar fue una maravilla del mundo antiguo, que dependía de la habilidad de los artesanos para fabricar azulejos, lo cual involucra un cambio químico para generar un material nuevo más valioso que los componentes con que se fabrica.

La civilización humana depende del control de estos procesos químicos para la fabricación de materiales de importancia, como todos los que me permiten escribir este mismo texto. Sin embargo, hay que recalcar que por muy bueno que sea el modelo, este no debe confundirse con el proceso que ocurre en el mundo real. De esta forma deberemos entender dos ideas relacionadas, la reacción química que es un proceso que nunca cambia y que experimentan de igual modo investigadores en cualquier momento histórico, y la ecuación química, que son una serie de símbolos y normas semánticas que nos permiten describir dicho proceso siguiendo una teoría como base, la teoría atómica.

Cuando se producen cambios químicos, los átomos se reorganizan y la reacción va acompañada de un cambio de energía a medida que se generan nuevos productos. Un ejemplo de un cambio químico es la reacción entre el sodio y el agua para producir hidróxido de sodio e hidrógeno. Se libera tanta energía que el gas de hidrógeno liberado se quema espontáneamente en el aire. Este es un ejemplo de un cambio químico porque los productos finales son químicamente diferentes de las sustancias antes de la reacción química. Los químicos clasifican los cambios químicos en tres clases principales: cambios químicos inorgánicos, cambios químicos orgánicos y cambios bioquímicos.

Cambios inorgánicos

La química inorgánica describe las reacciones de elementos y compuestos que, en general, no involucran carbono. Los cambios suelen tener lugar en los laboratorios, o en una escala mayor en las industrias pesadas. Los tipos típicos de cambio inorgánico incluyen la neutralización (mezcla de un ácido con una base, que da como resultado agua y sal), oxidación incluida la combustión, y reacciones de óxido-reducción elementales.

Cambios orgánicos

La química orgánica se refiere a la química del carbono, así como los elementos y compuestos con los que reacciona. Estos compuestos incluyen aceite mineral y todos sus productos. Gran parte de la producción de industrias que fabrican productos farmacéuticos, pinturas, detergentes, cosméticos, combustibles, etc involucran cambios orgánicos. Ejemplos típicos de cambios químicos orgánicos incluyen craquear hidrocarburos pesados en una refinería de petróleo para crear más gasolina a partir del petróleo crudo, ya que la gasolina tiene una mayor demanda que los hidrocarburos más pesados, como los gasóleos residuales. Otras reacciones incluyen, metilación, reacciones de condensación, polimerización, halogenación, etc.

Cambios bioquímicos

La bioquímica se ocupa de la química del crecimiento y la actividad de los organismos vivos. Es una química en la que la mayoría de las reacciones están controladas por proteínas complejas llamadas enzimas, estando moderadas y limitadas por hormonas. La química es siempre muy compleja y aún no se entiende completamente. La descomposición de material orgánico también está dentro del alcance de la bioquímica, aunque en este caso lo que está involucrado es el crecimiento y la actividad de hongos, bacterias y otros microorganismos. Los tipos típicos de cambio bioquímico incluyen todo el proceso involucrado en la fotosíntesis, un proceso en el cual las plantas transforman el dióxido de carbono y el agua en azúcares y oxígeno, la digestión en la que los organismos utilizan los materiales ricos en energía para crecer y moverse, ciclo de Krebs que libera energía de reservas almacenadas, síntesis de proteínas que permiten a los organismos crecer utilizando procesos controlados por ARN, etc.

Evidencia de un cambio químico

Lo siguiente puede indicar que ha tenido lugar un cambio químico, aunque esta evidencia no es concluyente:

· Cambio de olor

· Cambio de color (por ejemplo, de plateado a marrón rojizo cuando se oxida el hierro).

· Cambio en la temperatura o la energía, como la producción (exotérmica) o la pérdida (endotérmica) de calor.

· Cambio de composición: el papel se convierte en cenizas cuando se quema.

· Luz y / o calor emitidos.

· Formación de gases, que a menudo aparecen como burbujas en líquidos.

· Formación de un precipitado (partículas insolubles).

· La descomposición de la materia orgánica (por ejemplo, comida podrida).

· El cambio es difícil o imposible de revertir.

Introducción a las reacciones químicas

Natalie fue diagnosticada recientemente con enfisema leve debido al humo de cigarrillo de segunda mano. Ella ha sido referida a Angela, una fisióloga del ejercicio, quien comienza a evaluar la condición de Natalie conectándola a un ECG, un oxímetro de pulso y un manguito de presión arterial. El ECG rastrea el ritmo cardíaco de Natalie, el oxímetro de pulso rastrea los niveles de oxígeno en su sangre, mientras que el manguito de presión arterial determina la presión ejercida por el corazón para bombear su sangre. Natalie luego camina en una cinta de correr para determinar su condición física general. Según los resultados de Natalie, Angela crea un régimen de entrenamiento. Comienzan con ejercicios de baja intensidad que utilizan músculos más pequeños en lugar de músculos más grandes, que requieren más y pueden reducir una cantidad significativa de en la sangre. Durante los ejercicios, Angela sigue monitoreando el ritmo cardíaco, el nivel de oxígeno en la sangre y la presión sanguínea de Natalie para asegurarse de que Natalie se ejercite a un nivel que le permita fortalecerse sin descomponer los músculos debido a la falta de oxígeno (Timberlake, 2015).

Los fisiólogos del ejercicio trabajan con atletas, así como con pacientes que han sido diagnosticados con diabetes, enfermedad cardíaca, enfermedad pulmonar u otra discapacidad o enfermedad crónica. A los pacientes que han sido diagnosticados con una de estas enfermedades a menudo se les prescribe ejercicio como una forma de tratamiento, y se los remite a un fisiólogo del ejercicio. El fisiólogo del ejercicio evalúa la salud general del paciente y luego crea un programa de ejercicios personalizado para esa persona. Un programa para un atleta podría enfocarse en reducir el número de lesiones, mientras que un programa para un paciente cardíaco se enfocaría en fortalecer los músculos del corazón. El fisiólogo del ejercicio también supervisa al paciente para mejorar y observa si el ejercicio reduce o revierte la progresión de la enfermedad (Timberlake, 2015).

El ejercicio, los alimentos, el consumo de oxígeno, la emisión de dióxido de carbono y el cambio en la masa muscular están mediados por cambios en la naturaleza misma de las sustancias. Los alimentos son sustancias químicas de alto peso molecular que son transformadas por medio de las reacciones químicas del metabolismo en otras que son útiles para el organismo o descompuestas en energía, produciendo desechos que son expulsados por los pulmones, los riñones o la piel.

Fritz Haber

Fritz Haber (9 de diciembre de 1868 - 29 de enero de 1934) fue un químico alemán que recibió el Premio Nobel de Química en 1918 por su invención del proceso Haber-Bosch, un método utilizado en la industria para sintetizar amoniaco a partir de gas nitrógeno e hidrógeno. Esta invención es de importancia para la síntesis a gran escala de fertilizantes y explosivos. Se estima que dos tercios de la producción anual de alimentos a nivel mundial utilizan nitrógeno del proceso Haber-Bosch, y que esto sustenta a casi la mitad de la población mundial moderna (Smil, 2001). Haber, junto con Max Born, propuso el ciclo de Born-Haber como método para evaluar la energía reticular de un sólido iónico. Haber también es considerado el "padre de la guerra química" por sus años de trabajo pionero en el desarrollo y armamento del cloro y otros gases venenosos durante la Primera Guerra Mundial, especialmente sus acciones durante la Segunda Batalla de Ypres. Por estas ironías es conocido como “el monstruo que mantiene al mundo alimentado”.

Haber nació en Breslau (ahora Wrocław, Polonia), Prusia, en una familia judía acomodada, hijo de Siegfried y Paula Haber, primos hermanos que se casaron a pesar de la considerable oposición de sus familias. El padre de Haber, Siegfried, era un conocido comerciante de la ciudad, que había fundado su propio negocio de tintes, pinturas y productos farmacéuticos. Paula experimentó un embarazo difícil y murió tres semanas después del nacimiento de Fritz, dejando a Siegfried devastado y Fritz. al cuidado de varias tías (Stoltzenberg, 2004).

Cuando nació Fritz, los Habers se habían asimilado hasta cierto punto en la sociedad alemana. Asistió a la escuela primaria en la Johanneum School, una "escuela simultánea" abierta por igual a estudiantes católicos, protestantes y judíos: 12 A los 11 años, fue a la escuela en la escuela clásica St. Elizabeth, en una clase uniforme dividido entre estudiantes protestantes y judíos. Su familia apoyaba a la comunidad judía y continuaba observando muchas tradiciones judías, pero no estaban fuertemente asociadas con la sinagoga. Haber se identificaba fuertemente como alemán, menos como judío (Stoltzenberg, 2004).

Aunque su padre deseaba que fuera aprendiz en la compañía de tintes, Haber obtuvo el permiso de su padre para estudiar química en la Universidad Friedrich Wilhelm en Berlín (hoy la Universidad Humboldt de Berlín), con el director del Instituto de Química, AW Hofmann. Haber se sintió decepcionado por su primer semestre de invierno (1886-1887) en Berlín y acordó asistir a la Universidad de Heidelberg para el semestre de verano de 1887, donde estudió con Robert Bunsen. Luego regresó a Berlín, al Technical College of Charlottenburg (hoy Universidad Técnica de Berlín) (Stoltzenberg, 2004).

En el verano de 1889, Haber dejó la universidad para realizar un año legalmente requerido de servicio voluntario en el Sexto Regimiento de Artillería de Campaña. [Una vez completado, regresó a Charlottenburg donde se convirtió en estudiante de Carl Liebermann. Además de las conferencias de Liebermann sobre química orgánica, Haber también asistió a conferencias de Otto Witt sobre la tecnología química de los tintes (Stoltzenberg, 2004).

Liebermann asignó a Haber a trabajar en reacciones con piperonal para su tema de tesis, publicado como Ueber einige Derivate des Piperonals (Acerca de unos pocos derivados piperonales) en 1891. Haber recibió su doctorado cum laude de la Universidad Friedrich Wilhelm en mayo de 1891, después de presentar su trabajo a una junta de examinadores de la Universidad de Berlín, ya que Charlottenburg aún no estaba acreditado para otorgar doctorados (Stoltzenberg, 2004).

Con su título, Haber regresó a Breslau para trabajar en el negocio químico de su padre. No se llevaban bien. A través de las conexiones de Siegfried, a Haber se le asignó una serie de aprendizajes prácticos en diferentes empresas químicas, para ganar experiencia. Estos incluyeron Grünwald and Company (una destilería de Budapest), una fábrica austriaca de amoníaco y sodio, y las fábricas de papel y celulosa Feldmühle. Haber se dio cuenta, basándose en estas experiencias, de que necesitaba aprender más sobre los procesos técnicos y convenció a su padre para que le dejara pasar un semestre en el Polytechnic College de Zürich (ahora el Swiss Federal Institute of Technology), estudiando con Georg Lunge. En el otoño de 1892, Haber regresó de nuevo a Breslau para trabajar en la compañía de su padre, pero los dos hombres continuaron enfrentándose y Siegfried finalmente aceptó que no podían trabajar bien juntos (Stoltzenberg, 2004).

Durante su tiempo en la Universidad de Karlsruhe de 1894 a 1911, Haber y su asistente Robert Le Rossignol inventaron el proceso Haber-Bosch, que es la formación catalítica de amoníaco a partir de hidrógeno y nitrógeno atmosférico en condiciones de alta temperatura y presión. Este descubrimiento fue una consecuencia directa del principio de Le Châtelier, anunciado en 1884, que establece que cuando un sistema está en equilibrio y uno de los factores que lo afectan cambia, el sistema responderá minimizando el efecto del cambio. Dado que se sabía cómo descomponer el amoníaco en un catalizador a base de níquel, se podría derivar del principio de Le Châtelier de que la reacción se podía revertir para producir amoníaco a alta temperatura y presión (un proceso que Henry Louis Le Châtelier incluso había probado él mismo, pero abandonó después de su técnico casi se suicida, debido a una explosión relacionada con la ingesta de oxígeno). (Stoltzenberg, 2004).

Para desarrollar aún más el proceso de producción de amoníaco a gran escala, Haber recurrió a la industria. Trabajando en equipo con Carl Bosch en BASF, el proceso se amplió con éxito para producir cantidades comerciales de amoníaco. El proceso Haber-Bosch fue un hito en la química industrial. La producción de productos a base de nitrógeno, como fertilizantes y materias primas químicas, que antes dependía de la adquisición de amoníaco de depósitos naturales limitados, ahora se hizo posible utilizando una base abundante y fácilmente disponible: el nitrógeno atmosférico, básicamente más de 75% del aire es nitrógeno. La capacidad de producir cantidades mucho mayores de fertilizantes nitrogenados, a su vez, contribuyó a obtener rendimientos agrícolas mucho mayores y evitó que miles de millones de personas murieran de hambre y aun lo hace (Stoltzenberg, 2004).

El descubrimiento de una nueva forma de producir amoníaco también tuvo otros impactos económicos importantes. Chile había sido un productor importante (y casi único) de depósitos naturales como el nitrato de sodio (caliche). Después de la introducción del proceso Haber, la producción de nitratos extraídos naturalmente en Chile cayó de 2.5 millones de toneladas (empleando a 60.000 trabajadores y vendiéndose a US $ 45 / ton) en 1925 a solo 800.000 toneladas, producidas por 14.133 trabajadores, y vendidas a $ 19 / ton en 1934 (Stoltzenberg, 2004).

La producción mundial anual de fertilizantes nitrogenados sintéticos es actualmente de más de 100 millones de toneladas. La base alimentaria de la mitad de la población mundial actual se basa en el proceso de Haber-Bosch (Stoltzenberg, 2004).

Haber fue galardonado con el Premio Nobel de Química de 1918 por este trabajo (en realidad recibió el premio en 1919). En su discurso de aceptación de ese premio Nobel, Haber comentó: "Puede ser que esta solución no sea la última. Las bacterias del nitrógeno nos enseñan que la naturaleza, con sus formas sofisticadas de la química de la materia viva, todavía comprende y utiliza métodos que nosotros no conocemos como imnitar" (Stoltzenberg, 2004).

Haber también participó activamente en la investigación sobre reacciones de combustión, separación del oro del agua de mar, efectos de adsorción, electroquímica e investigación de radicales. Una gran parte de su trabajo desde 1911 hasta 1933 se realizó en el Instituto Kaiser Wilhelm de Química Física y Electroquímica en Berlín-Dahlem. En 1953, este instituto pasó a llevar su nombre.

Haber como buen ciudadano alemán se enlistó en la Primera Guerra Mundial con entusiasmo, uniéndose a otros 92 intelectuales alemanes en la firma del Manifiesto de los Noventa y Tres en octubre de 1914. Haber jugó un papel importante en el desarrollo del uso no balístico de la guerra química en la Primera Guerra Mundial, a pesar de la prohibición de su uso en proyectiles por la Convención de La Haya de 1907 (de la que Alemania era signataria). Fue ascendido al rango de capitán y jefe de la Sección de Química en el Ministerio de Guerra poco después de que comenzara la guerra. Además de liderar los equipos que desarrollan cloro gaseoso y otros gases mortales para su uso en la guerra de trincheras, Haber estuvo presente personalmente cuando fue lanzado por primera vez por el ejército alemán en la Segunda Batalla de Ypres (22 de abril al 25 de mayo de 1915) en Bélgica. Haber también ayudó a desarrollar máscaras de gas con filtros adsorbentes que podría proteger contra tales armas. Por esta razón Haber se ha convertido en la base del científico loco por parte la cultura popular moderna, siendo algo irónbico ya que ha salvado más vidas que las que destruyó en la primera guerra mundial. Haber no era malvado per se, simplemente era un alemán patriota que estaba orgulloso de servir a su país durante la Primera Guerra Mundial, por lo que fue condecorado. Incluso el Kaiser le otorgó el rango de capitán, que a Haber se le había negado 25 años antes durante su servicio militar obligatorio (Stoltzenberg, 2004).

Haber recibió muchas críticas por su participación en el desarrollo de armas químicas en la Alemania anterior a la Segunda Guerra Mundial, tanto de sus contemporáneos, especialmente de Albert Einstein quien le retiró su amistad, como de los científicos modernos (Stoltzenberg, 2004).

Al final, la misma patria por la cual el tanto sacrificó, lo sacrificó a el debido al cambio de política con respecto a la población judía “sin importare que como Haber fueran conversos al catolicismo y fueran oficiales condecorados del ejército alemán retirados” debido a la administración Nazi de Adolf Hitler, por lo que fue despojado de todo rango e investidura académica y económica, y se vio forzado a intentar escapar de Alemania. Haber dejó Dahlem en agosto de 1933 y se quedó brevemente en París, España y Suiza. Su salud era extremadamente mala durante estos viajes, y finalmente sufrió fatalmente lo que fue un derrame cerebral o un ataque cardíaco (Stoltzenberg, 2004).