この数世紀の間の
最も重要な発見は
何だと思いますか？
コンピューターでしょうか？
それとも車？
電気？
もしくは原子の発見？
私はこの化学反応だと思います
気体の窒素分子１つと
気体の水素分子３つが 合わさると
気体のアンモニア分子２つが できる反応です
これはハーバー法というもので
空気中の窒素分子と
水素分子が結合し
空気から肥料が できるというものです
この化学反応がなければ
農家の人々は 40億人分の食料しか 生産することができないでしょう
現在の人口は70億人を 上回ったところです
したがって ハーバー法なしには
30億人が 食料にありつけません
硝酸塩―NO3―という形で 存在する窒素は
植物が生き延びるのに 必要不可欠な栄養素です
作物が生長する時に 土壌から窒素を吸収し
土から窒素が取り除かれます
窒素は 動物の腐敗などの
長期間にわたる 自然な肥沃化の過程によって
補充されますが
人間はそれよりも ずっと短期間に
作物を育てる 必要があります
ここからが ややこしいところです
空気の78％は 窒素で構成されていますが
作物は単に空気中から窒素を 吸収することができません
なぜなら窒素は非常に強い 三重結合を持っており
作物はこの結合を 切ることができないからです
ハーバーが成しえたことは
根本的にいえば
空気中の窒素を取り込み
これを土に送り込む方法の発見です
1908年ドイツの化学者 フリッツ・ハーバーは
空気中に 豊富にある窒素を
利用するための 化学的な方法を編み出しました
ハーバーは
空気中の窒素を取り込み
水素と結合させて
アンモニアを生成する 方法を発見したのです
そして アンモニアは 土壌に注入された後
速やかに 硝酸塩に変換されます
しかし ハーバー法を 世界の食料を賄うために使うためには
ハーバーは
大量のアンモニアを迅速に簡単に 生成する方法を見出す必要がありました
ハーバーが
この偉業をどのようにして 成し遂げたのかを理解するため
私たちは化学平衡について 知る必る必要があります
化学平衡は 密閉容器の中で
化学反応が起きたときに 達成されます
例えば
密閉容器の中に 水素と窒素を注入し
反応させます
実験の 初期の段階では
多くの窒素と水素があるので
アンモニアは 速い速度で
生成されます
ところが水素と窒素が反応を起こし 消費されるにつれ
反応速度が低下します
容器の中の窒素と水素の量が 減るからです
やがて アンモニア分子は ある時点を境に
分解しはじめ
窒素と水素に戻ります
しばらくすると アンモニアの生成と分解という
２つの反応は
同じ速度で起こるようになります
同じ速度になったとき
「平衡状態に達した」といいます
一見 良いことのようですが
大量のアンモニアを
生成したい時には 良いことではありません
アンモニアの分解は ハーバーが望むところではありませんが
密閉容器の中で
単に反応させておくと
分解が起こります
ここで フランスの化学者 アンリ・ル・シャトリエの
登場です
彼が発見したことは
平衡状態にある系に
何か 例えば窒素を加えると
系は平衡状態に
戻ろうとする ということです
さらにル・シャトリエは
圧力を加えると
系は元の圧力に
戻そうとすることを
発見しました
混雑している部屋に いるようなものです
分子の数が多いほど
圧力が高くなりますが
はじめの化学反応式を 見てみると
左辺に４つの分子があり
右辺には２つしかありません
部屋の密集度を下げて
圧力を下げたい場合
窒素と水素が
結合しはじめ
よりコンパクトな アンモニア分子を生成します
ハーバーは
大量のアンモニアを 生成するには
窒素と水素を 継続的に加え
平衡状態にある系の
圧力を増加させる機械を 製造する必要があることに気づき
まさに それを実現しました
現在 アンモニアは
世界で最も多く生産される 化合物のひとつです
年間 およそ1億3100万トン
つまり 2900億ポンドのアンモニアが 生産されており
これは
１頭が約4500キロのアフリカゾウ 3000万頭分に相当します
アンモニアの80％は 肥料生産に使われており
残りは
工業用や家庭用の洗剤
また 硝酸など
他の窒素化合物に 使われています
最近の研究によると
肥料に含まれる 窒素の半分が
植物に吸収されていないことが 示されました
その結果 窒素は
揮発性の化合物として
地球の水系や大気中に 見出されており
環境に深刻な影響を 与えています
もちろん ハーバーが 発明をもたらしたとき
このような問題を 予期しませんでした
彼の先駆的な洞察力を継ぎ
現在の化学者らは
危険な結果を伴わずに
同じ量のアンモニアを 生成することができる
21世紀の新しいハーバー法を 探し求めています