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氮的故事–哈柏法製氨及其影響

106/01/20 4984

牟中原｜台灣大學化學系系主任

十九世紀歐洲的工業革命，造成都市化與人口成長，糧食的增產是一大問題。其中，最大問題是氮肥的供應。智利硝石的開採及輸入暫時解決了這個問題，但到了二十世紀初，眼看硝石的存量有限，氮肥的供應成為世界性的問題。化學家把眼光集中到空氣中穩定供應的氮分子，想辦法把他變成可利用的氮肥。這個想法最早由德國化學家哈柏解決，他利用氫和空氣中的氮在高溫高壓下轉換成氨，找到了人造肥料的合成法，能夠使糧食增產。卻沒想到，第一次世界大戰來臨了，氨也成了黃色炸藥的來源。

人類的糧食供給，受限於天然氮肥產量有限，一直沒能有長足的進步，世界人口的成長也就受到限制。在二十世紀初期問世的哈柏法，有效地解除了這個限制，世界人口因而迅速成長，但也帶來不少的副作用。藉由回顧哈柏法的發展過程跟後續應用，我們可以從中獲得不少借鏡與啟示。

講演綱要（撰文｜高英哲）

哈柏法（Haber process）是在高溫高壓（攝氏 400 度， 200 大氣壓）之下，用氮氣跟氫氣以 1:3 的比例，產生氨氣的工業製程。這是一種可逆反應，因此並不是所有的氮跟氫，都會轉化變成氨；沒有參與反應的氮跟氫會直接留下來，所以也不會造成浪費。哈柏法產生的氨一開始是氣體，之後會在冷凝器中冷卻液化。

將哈柏法工業化的，是德國化學公司 BASF 的卡爾．博施（Carl Bosch）。哈柏法需要催化劑才能進行，起初用做催化劑的鋨是超級稀有的金屬， BASF 到市面上到處搜刮，也只能買到十幾公斤，根本沒有實用價值；博施的團隊試過了兩萬多種配方，才終於找到一種鐵、鋁、鈣混合而成的催化劑，這三種元素都很便宜易得。從這個案例我們可以看到，科學上的發現從實驗室到實際應用，著實是件不容易的事。

哈柏法產生的氨，可以做成氮肥。傳統農業的氮肥，來自於細菌跟作物的固氮能力，加上動物的糞便堆肥；這種氮肥產量有限，因此像是在十九世紀後半，在秘魯外海島上發現很多可充作氮肥的鳥糞時，挖鳥糞竟然也可以成為當時的熱門行業。直到哈柏法工業化之後，人類對於氮肥的需求，才真正獲得解決，如今我們身體中的所有肌肉和器官，幾乎一半的氮都是來自哈柏法所製的氮肥。知名科技評論家瓦克雷．史密爾（Vaclav Smil）曾經說過，世界人口能夠從 1900 年的 16 億，膨脹到 2014 年的 70 億，沒有哈柏法是不可能辦到的；比對世界人口跟氮肥的成長趨勢，確實也呈現同步的線性成長。

哈柏法產生的氨，除了可以做成氮肥，也可以再透過奧士華法（Ostwald process）製成硝酸。氨與硝酸可再反應產生硝酸銨，這是現代火藥的基本成分。人類從黑火藥、硝化甘油到黃色炸藥，一直在尋找威力強大又穩定的火藥來源，但先前能夠找到最好的火藥是硝石，尤其是在阿卡塔馬沙漠發現的硝酸鈉礦石。智利為了爭奪礦場跟玻利維亞打了一仗，原本有臨海的玻利維亞從此成了內陸國；第一次世界大戰所用的火藥，絕大多數也是來自這批智利硝石。哈柏法產生的氨，為奧士華法製造硝酸，提供了穩定的原料來源；在第二次世界大戰之前，用哈柏法製造出來的氨，幾乎都拿去做成炸藥殺人了，也間接造成了哈柏個人的悲劇，不過那是另一個故事了。

二戰結束之後，哈柏法製造出來的氨，總算可以拿去做成氮肥了。世界人口在戰後五十年間，原本預估增長不會超過 10 億，在哈柏法的氮肥支撐下，卻多養了三倍的人口；即使是人口成長率沒有那麼高的已開發國家，用氮肥間接支持的肉類生產，也跟世界人口一樣扶搖直上。然而過度使用人造氮肥，改變了大自然中的氮循環，對環境造成了不少副作用，最明顯的就是作物沒能吸收的氮肥流入水域，造成海洋湖泊優氧化，形成沒有生物能夠存活的「死區」。過去人們談論哈柏法，主要都著眼於科技對人口成長的貢獻，如今我們應該也要多留意科技對人類社會以外的自然世界，造成了什麼樣始料未及的影響。

臺灣大學科學教育發展中心（NTU CASE）主辦
本講演蒙臺大科教中心慨允轉載，謹此致謝。

哈柏法(3) 氮肥(2) 硝石(1) 炸藥(3) 氨(1)

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