跳到主要內容
:::
登入
註冊
網站導覽
展開搜尋
全站搜尋
熱門關鍵字:
半導體
精準醫療
太空
煙火
關閉搜尋
您的瀏覽器不支援此script語法,請點選
搜尋
使用搜尋功能。
分類
分類項目
關閉分類項目
地理
天文
化學
醫學
科技
社會科學
人類文明
地科
心理
物理
數學
環境
生物
生活科學
醫療
地球科學
Menu
關於我們
文章
熱門文章
最新文章
精選文章
科學專題
科發月刊
影音
TechTalk
科普影片
活動
學生專區
夥伴
認證
公務人員
網站導覽
English
首長信箱
常見問答
雙語詞彙
關於我們
文章
文章
熱門文章
最新文章
精選文章
科學專題
科發月刊
影音
影音
TechTalk
科普影片
活動
學生專區
夥伴
認證
認證
公務人員
:::
首頁
Pleace Login!
×
請先登入
facebook
twitter
plurk
line
中
列印
書籤
:::
氮的故事–哈柏法製氨及其影響
106/01/20
瀏覽次數
4934
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)
推薦文章
113/09/30
從歷史中挖掘未來:綠豆的基因祕密與氣候生存法則
黃宜稜
|
科技大觀園特約編輯
儲存書籤
113/08/30
固體再生燃料SRF,處理垃圾和減碳真能一舉兩得?
寒波
|
科技大觀園特約編輯
儲存書籤
113/07/31
缺牙可能加深法令紋?拔牙後如何避免齒槽骨流失?補骨粉是必要的嗎?
黃宜稜
|
科技大觀園特約編輯
儲存書籤
113/09/30
氣候變遷下的農業改革:韌性與淨零的未來進行式
陳儀珈
|
科技大觀園特約編輯
儲存書籤
OPEN
關於我們
關於我們
文章
熱門文章
最新文章
精選文章
科學專題
影音
科普影片
TechTalk
活動
活動
學生專區
學生專區
回頂部