【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。

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