【化學新知】氮變成氨:百年哈柏法的原理終揭曉

最近美國羅徹斯特大學(University of Rochester)的派崔克.哈蘭(Patrick Holland)率領一群化學學者進行研究,終於研究出氨在哈柏法中是如何形成的了。這項研究成果已於11月11日發表在《科學》(Science)雜誌上。

圖片來源:James French│Getty Images

編譯 | 汪芃

      氨是製作肥料的重要成分,而過去一百年以來,世人一直使用哈柏法(the Haber-Bosch process)來將大氣中的氮氣轉換成氨。雖然這個製造方法一直十分可靠,然而科學家對哈柏法的確切原理卻所知甚少。但最近美國羅徹斯特大學(University of Rochester)的派崔克.哈蘭(Patrick Holland)率領一群化學學者進行研究,終於研究出氨在哈柏法中是如何形成的了。這項研究成果已於11月11日發表在《科學》(Science)雜誌上。

令人參不透的哈柏法

      按照哈蘭的說法,氮分子非常「難纏」。雖然我們周遭的空氣中就存在大量氮氣,因此我們一直很喜歡用氮來研究或生產製造,但這種氣體的三鍵鏈結非常難破壞,因此幾乎無法和其他元素產生任何反應。過去一世紀以來,我們使用的是哈柏法,也就是以鐵作為催化劑,並施以高溫及高壓,如此才能破壞氮的三鍵結構,一點一點慢慢地製成氨,儘管如此,哈柏法背後的原理始終沒人能摸透。

      哈蘭說:「哈柏法有效,但要了解背後的原理很難,因為這個化學反應靠的是固態的催化劑,因此不容易觀察研究。所以我們才會試著用可溶的鐵來分解氮分子。」

液態解謎團

      哈蘭所率領的研究團隊,成員有羅徹斯特大學的梅根.羅德里格斯(Meghan Rodriguez)和威廉.布瑞諾索(William Brennessel),還有德國馬克斯普朗克科學促進協會生物無機化學研究所(the Max Planck Institute for Bioinorganic Chemistry)的愛克哈德.畢爾(Eckhard Bill),他們用溶液狀態成功模擬了哈柏法。他們發現,有一種結合了鉀的含鐵錯合物能打斷氮原子之間的強韌鍵結,並形成一種以氮化亞鐵(Fe3N2)為核心的錯合物,由此能看出,氮原子之間的鍵結能斷開來,靠的便是這三個鐵(Fe)原子。接著這種氮化亞鐵錯合物便會與氫氣(H2)和酸起反應,進而形成氨(NH3)。在此之前,從來沒有人用液體中的鐵成功製出氨。

      雖然這是一項重大突破,但這項技術在短時間內仍無法取代哈柏法。儘管用高溫高壓來製造氨有其風險,但哈蘭指出,哈柏法用的催化劑畢竟比他們用的要便宜許多。不過哈蘭也表示,未來他們有可能研究出一種更好的催化劑供哈柏法使用,讓哈柏法不需要那麼高的溫度及壓力即可作用。

      此外,這項研究成果還帶來一個跟氨和肥料八竿子打不著的好處,那就是當上述的鐵鉀錯合物分解氮分子時,同時會形成帶負電的氮離子,稱為氮化物(nitrides)。哈蘭說,溶液中形成的這些氮化物可用來製造藥品及其他產品。
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 報導出處:University of Rochester. "Chemistry: New insight into 100-year-old Haber-Bbosch process of converting nitrogen to ammonia."ScienceDaily, 11 Nov. 2011. Web. 13 Nov. 2011.
 研究出處:M. M. Rodriguez, E. Bill, W. W. Brennessel, P. L. Holland.N2 Reduction and Hydrogenation to Ammonia by a Molecular Iron-Potassium Complex. Science, 2011; 334 (6057): 780 DOI: 10.1126/science.1211906

責任編輯:Nita Hsu


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2 thoughts on “【化學新知】氮變成氨:百年哈柏法的原理終揭曉

  • 2011 年 12 月 12 日 at 19:12:43
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    鏈結應翻成鍵結
    就三鐵化合物而言,這是個新反應,證明了鐵的確可做這檔子事,但也不一定是哈伯法的進行過程。

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  • 2011 年 12 月 12 日 at 19:36:43
    Permalink

    已修正,謝謝老師。

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