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工業製氨法的突破者 Fritz Haber

1868年12月9日出生的哈伯,在1909年公開「哈伯法製氨」帶領大家突破糧食生產的瓶頸,哈伯法使氫氣與氮氣能在高溫、高壓及催化劑的作用下合成氨,使人們得以順利將大氣中的氮轉化為植物可用的含氮養分,大幅提高了糧食的產量,也養活了地球上不斷增長的人口,可見哈伯法製氨在農業及人類發展歷史上的重要性。
 
 
1868年12月9日工業製氨技術突破者弗里茨.哈伯(Fritz Haber)誕辰
 
根據聯合國統計現今世界人口總數約有77億,比起100年前足足多了近5倍,許多學者都認為,地球上能夠供養這麼多的人口必須歸功於哈伯法製氨(Haber-Bosch process)的出現。哈伯法使氫氣與氮氣能在高溫、高壓及催化劑的作用下合成氨,不僅將農業及工業的發展向前推了一大步,也幫助弗里茨.哈伯(Fritz Haber)拿下1918年的諾貝爾化學獎。 
 
哈伯於1868年12月9日出生在德國布雷斯勞(Breslau,今波蘭弗次瓦夫)的一個猶太家庭,父親為當地著名的染料、色素進口商。大學時期,哈伯曾在柏林大學、海德堡大學及夏洛滕堡技術學校(今柏林工業大學)修習有機化學,並於1891年獲得學位。1894年起,哈伯於卡爾斯魯爾(Karlsruhe)某間研究所開始他的研究生涯,由於該研究所偏重工業的應用,因此哈伯也致力於將物理化學、電化學、氣體熱力學等理論應用在工業上。
 
當時,由於工業的快速發展使得世界人口得以急速增加,但農業的發展卻遇到一個瓶頸,即氮肥嚴重不足。原來,傳統農業中氮肥係源自動物的糞便或是腐壞的植物,待土壤中的微生物將肥料中的含氮物質分解成銨根(NH4+)和硝酸鹽(NO3⁻)後,才能為植物所利用。由於微生物固氮的過程相當緩慢,儘管大氣中含氮比例高達78%,但實際能用在植物上的卻少之又少。對此,英國化學家克魯克斯(William Crookes)曾提出警告,若不能提升農作物的產量,糧食的缺乏將無法滿足世界人口的快速膨脹。幸好,哈伯適時於1909年公開了現今廣人知的「哈伯法製氨」帶領大家突破糧食生產的瓶頸。
 
其實大氣中有80%的成分是氮氣,是最便宜的「氮」來源,但是氮氣分子中的氮原子間係以三鍵(triple bonds)的型式緊密連結,如果想利用大氣中的氮氣,第一個大難題,就是該怎麽將這緊密且高能量的三鍵打斷。哈伯於1905年將氣體熱力學的研究成果集結成《The Thermodynamics of Technical Gas Reactions》一書出版,書中提到:氫氣和氮氣反應可產生少量的氨。之後,他根據此結論進行反覆的實驗和計算,並利用高溫、高壓法打斷氮原子的結合鍵,使其能與氫原子結合,形成液態氨(NH3)。
 
哈伯發現,若使用鋨、鈾等金屬當催化劑,雖然可以加速氮、氫的反應速率,但每一次的產率僅8-15%,於是他利用巧思,使未轉化的氣體又重新回到裝置中,以反覆進行反應,提高氨的轉化率。哈伯法製氨技術問世不久後,德國化學家兼工程師卡爾.博世(Carl Bosch,1931年諾貝爾化學獎得主)便找到一種更便宜的催化劑,鐵、鋁、鈣混合物質,能夠替代鋨和鈾,同時進一步改良哈伯法的製程,使工廠中能夠產生足以供農民使用的氨量,解決了氮基肥料不足的困擾。
 
哈伯在110年前的這項創舉,使人們得以順利將大氣中的氮轉化為植物可用的含氮養分,大幅提高了糧食的產量,也養活了地球上不斷增長的人口。目前,每年約有5萬噸的氮基肥料是來自哈伯法製氨,估計可供應世界人口三分之一 所需的糧食,可見哈伯法製氨在農業及人類發展歷史上的重要性,此貢獻也讓哈伯在1918年獲得了諾貝爾化學獎的殊榮。
 
1. Fritz Haber 
2. Overview of the Haber-Bosch Process 
3. The Nobel Prize in Chemistry 1918: Fritz Haber 
4. The Tragedy of Fritz Haber: The Monster Who Fed The World 
5. Nitrogen Cycle 
6. Haber-Bosch Process Information 
7. Carl Bosch 
 

 
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