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氮的故事–哈柏法製氨及其影響

19世紀工業革命,造成歐洲的都市化與人口成長。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的穩定的氮分子,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伯解決,他利用氫和空氣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。沒想到,第一次世界大戰來臨了,氨也成了黃色炸藥的來源…………..
 
 
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,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氨,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。
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