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空気と石炭からパンを作った人、フリッツ・ハーバー

2010 - 07/06 [Tue] - 11:44

オーガニックの話には?なことが結構多くて、
前々から気になっていたことが他にもあります。

wood-vinegar
これはあくまでもイメージです。実際の商品とは関係ありません

木酢液(wood vinegar)は有機農業でも活用されていますが、
それは良しとしましょう。
ただし、これを飲むのは…… ちょっとヤバくない (?_?)
少なくとも私は遠慮したいと思いますし、
一度室内で使ったら、化学物質過敏症の妻にいたく叱られました。
臭くて耐えられない――
化学物質過敏症は、匂いに過敏になるのが特徴です。
木酢液の匂いはとても強烈なんです。
まるで……、石油の匂いみたい (>_<)

さて。
まず最初に、化学物質の人工合成の続きを紹介しましょう。
20世紀に入ると技術は格段に向上し、
最先端の化学工業が成立します。
こうして様々な化学物質が大量生産されていきますが、
その中で最も輝かしい成果の一つが空中窒素固定(nitrogen fixation)です。

1909年、フリッツ・ハーバー(Fritz Haber)は、
空気中の窒素(N2)からアンモニア(NH3を合成することに成功します。
この技術を産業ベースで実現したのが、
ドイツの巨大化学メーカーBASF社の社長、カール・ボッシュ(Carl Bosch)でした。

Haber-Bosch
向かって右側がハーバー、左側がボッシュ。
ともに、ノーベル化学賞を受賞しています。

2人の名をとってハーバー・ボッシュ法と呼ばれているその合成方法とは……
400~600℃、200~1000気圧という途方もない高温高圧下で、
触媒を用いて、窒素と水素を直接反応させるというものでした。
このため理論的な問題よりも、
技術的に超えなければならないハードルがわんさかあった。
ボッシュは不屈の精神で最後まで諦めず、
1913年、ついに10t/日という工業的生産にこぎつけることに成功したんです。

その反応式自体は、いたってシンプルなもの。
  N2 + 3H2 → 2NH3
こうして空気中の窒素からアンモニアを合成したわけですが、
問題はむしろ水素(H2)でした。
最も簡単なのは水(H2O)の電気分解ですが、
水力発電が主流であった当時、
大陸国家であるドイツで電気は”貴重品”だった。
そこでボッシュは、石炭の水性ガスを利用しました。
1000℃以上に加熱したコークスに水蒸気を吹き付けると、
一酸化炭素(CO)と水素(H2)の混合ガスを生じます。
この水性ガスに着目したことが成功の鍵だったんです。

こうして合成されたアンモニアを利用し、
硫酸アンモニウム(硫安)や硝酸アンモニウム(硝安)が合成されました。
しかし一度開発された高温高圧合成技術の進歩は目覚しく、
BASF社は様々な人工合成を実現していきます。
1922年、尿素の工業生産開始。
  2NH3 + CO2 → (NH2)2CO + H2O
1923年、水性ガスを利用したメタノールの工業生産開始。
  CO + 2H2 → CH3OH
1927年、石炭液化の工業化。
1934年、合成ガソリンの生産開始。

ここで触れておきたいのが、尿素とメタノール。
すでに1907年、フェノール樹脂が誕生していました。
世界最初の合成樹脂です。
しかし赤褐色をしているという難点があった。
そこで1920年、尿素樹脂(ユリア樹脂)が開発されます。
こちらは無色なので、自由に着色できる優れものでした。

フェノール樹脂は、フェノールとホルムアルデヒド(H2CO)の重合体です。
フェノールは石炭から得られるわけですし、
ホルムアルデヒドは……、メタノールを酸化してやればOK。
一方、尿素樹脂は尿素とホルムアルデヒドの重合体。
尿素だって大量生産が始まった!!!
こうして尿素樹脂が建築用建材にも利用され出したわけですが、
その弊害が早くも表面化する――
いわゆるシックビルディング(sick building)ですが、
欧米では、すでに1940年頃から問題視されていたようです。

他にもこんな話がございます。
アンモニアからは硝酸が合成できます。
  NH3 + 2O2 → HNO3 + H2O
硝酸からは何ができますか?
グリセロール(グリセリン)とエステル結合すると…… 思い出した?
ニトログリセリンになります。

折りしも、1914年に第一次世界大戦が勃発します。
連合国はドイツを経済封鎖しますが、
それをあざ笑うかのようにドイツは屈しませんでした。
こうして戦争が長期化してしまった一因は、
ドイツがアンモニア合成に成功していたからだと言われています。
もちろん、連合国だって空中窒素固定は百も承知でした。
ただどうしてもわからなかったらしい。
どうやって【水素】を手に入れているのかが……

さらに、さらに。
第一次世界大戦は化学戦争の一面を持っていました。
いわゆる、毒ガス兵器の登場です。
実は、毒ガス開発の指揮をとったことから、
ハーバーは「毒ガス開発の父」なんて呼ばれたりもします。

ほらご覧なさい。やっぱり合成物は危ないのよ (・へ・)

まあまあ、そう結論を急がないで下さい。
確かに、非難されるべき点があるのは事実ですが、
だからといって、
空中窒素固定が完成していなかったらどうなってたか……
「合成物なんか使うな」というのは簡単ですが、
それで困るのは経済的に貧しい方々です。

19世紀末、欧米は深刻な資源問題に直面していました。
”資源”といっても、石炭や石油ではございません。
【チリ硝石】です。
産業革命が進行する中、
欧米では人口が爆発的に増えていました。
この人口を飢えさせないためには、
食糧増産が緊急の課題だった。
そのためには、耕作地に栄養分を補給しなければいけません。

肥料の三大要素は窒素・リン・カリウムで、
当時は、この全てを天然資源に頼っていました。
中でも植物がアミノ酸を合成するために不可欠な窒素は、
1809年にチリで発見された硝酸Naに依存していたんです。
しかし天然資源であるからには、いつかは枯渇する――
そこで、アンモニア合成の開発が急務となり、
無尽蔵に存在する空気中の窒素(N2)に注目した!!!
これが空中窒素固定だったわけで、
痩せたドイツの大地に豊かな小麦の実りをもたらしました。

ハーバーの墓碑にはこう記されているそうです。
空気からパンを作った人――
しかし、私は【石炭】を付け加えたい。
空気と石炭からパンを作った人――
恩恵を受けたのはドイツ人だけではありません。
1961年~2000年の40年間で、
世界の耕地面積は1.1倍にしか増えていないそうです。
っていうか、ほとんど横ばいですね。
しかし、穀物生産量は2.4倍に増加した。
こうした生産性の向上は化学肥料によるところが大きく、
そのおかげで世界は食糧危機に直面せずに済んだわけです。

有機農作物を普及させよう――
少しでも付加価値の高いものを食べたいという欲求は否定いたしませんが、
世界中が有機農作物ばかりになっちゃったら、
多くの人口が飢えることになります。
しわ寄せを受けるのはいつも弱者であり、
今でさえ飢えに苦しんでいる途上国は、完全に食べる物を失うでしょう。

メタノール合成も、そもそもの目的は資源対策でした。
ボッシュは自動車燃料にしようと考えていたようで、
さしずめ、【エタノール燃料】のメタノール版というわけです。
その後、合成ガソリンの開発にも成功しています。
ところが、第二次大戦後に中東で油田が発見されちゃったので、
それもとてつもない埋蔵量があったものだから、
燃料利用では採算が合わなくなってしまっただけの話。

それにも増して、とんでもない誤解をしている方が多いようです。
石炭(今なら石油)から人工的に合成されたものは危険――
でも、果たしてそうでしょうか?

図をクリックすると拡大します
organic-8

木の主要成分はセルロースとヘミセルロースですが、
もう一つリグニン(lignin)というものがあります。
日本語では木質素、木の中でも最も”硬い”成分です。
その”原料”となるのは、
4-クマリルアルコール、シナピルアルコール、コニフェリルアルコール――
木の種類によって組成は多種多様ですが、
概ねこの3つの化学種が中心となって生合成される複雑な高分子化合物です。

その出発点となるのは、
カテキン類やアントシアニン類の”素”でもある4-クマル酸。
この4-クマル酸から水酸基(-OH)が取れればケイ皮酸。
ケイ皮酸を英語で「cinnamic acid」という事からもわかるように、
ケイ皮(桂皮)とはシナモンのことです。
そこで「シナモン酸」とか「シンナミック酸」とも呼ばれます。

このリグニン、凡そ300℃で熱すると熱分解を始めます。
ただし、ベンゼン環は頑丈なのでそのまま残る……
リグニンにはベンゼン環がた~~~くさんあるでしょ?
そこでベンゼン環に水酸基(-OH)が結合したフェノール類がたくさん出てくるわけで、
水酸基(-OH)が1ヶならフェノールとなります。

後補 
構造中にベンゼン環構造を有する化合物を芳香族炭化水素化合物といいます。
石油は植物起源でないのでフェノール類の含有比は少なく、
直鎖状の脂肪族炭化水素化合物(アルカン)の含有比が大きくなります。


その他にもあります。
シナピルアルコールやコニフェリルアルコールには、
メトキシ基(-OCH3)がくっ付いてる。
これが分解されて水素(H)が結合すればCH3OH――
これはメタノールに他なりません。
宜しいですか?
自然の木からもメタノールを得ることができるんです。

というか、人工合成が始まる前は木材の乾留で手に入れておりました。
そこでメタノールの別名を、wood spirit(木精)というのです。
もちろん、これを酸化すれば【ホルムアルデヒド】なんかすぐできる。
それでは”天然ホルムアルデヒド”と”合成ホルムアルデヒド”が別物かといえば、
そんなことは決してございません。
どちらも同じ物理的性質・化学的性質を持っており、
2つとも正真正銘の有機物(organic compound)でございます。

だって、考えてもみて下さい!!!
石炭だって元をたどれば植物でしょ?
植物が深い深い地中に埋もれてカッチカチなった。
その分ギュッと固まっているので、
”木のエキス”がたっぷりと濃縮されているだけの違いです。
合成物だから危険なわけじゃない――
ホルムアルデヒドはホルムアルデヒドであるがゆえに危険なんです。
もっと正確にいえば、過剰に曝露すると身体に悪い。

そこで素直に考えれば、きっと納得していただけるはず。
木材由来のホルムアルデヒドも過剰になれば危険――
あっちが危険でこっちは大丈夫というのは、全く根拠がない。
こういうのを、”いわれなき差別”というのではないでしょうか?

それにハーバーやボッシュが戦争に加担したといいますが、
かつての生気論者だって似たり寄ったりでございます。
生気論の絶頂期を築いたブルーメンバッハ(Blumenbach)は、
人類学者としても後世に名を残しています。
人間を肌の色で分ける人種(race)の概念を提唱したのがブルーメンバッハでした。

図をクリックすると拡大します
organic-9

恐らく、生命体の多様性を明らかにしようと思ったんでしょう。
彼は肌の色で人間を5タイプに分類しました。
 コーカシア(白色)、モンゴリカ(黄色)、エチオピカ(黒色) 
 アメリカナ(赤色)、マライカ(茶色) 
今日に至るまで、この分類は大筋で変わっていません。

ただし、【人種】という分類自体は揺らぎつつあるようです。
というのも、人類のアフリカ単一起源説がいよいよ有力になってきました。
アフリカに暮らしていた人類が四方八方に散らばり、
それぞれ根を下ろした地域の気候に順応して肌の色を変えただけなんです。
上図のベースになっているのは、
20世紀初頭にルシャン(Luschan)が作成したものですが、
肌の色が緯度にピッタリと一致していることがわかります。
遺伝的な違いは一切ございません。
それなのに、肌の色で分類する必要なんかある?
猫を毛の色で分類したって意味がないのと同じことです。

ところが、人間には悪い癖があって、
分類すると優劣を付けたくなるらしい…… (+_+)
ブルーメンバッハもやっぱり人の子で、肌の色で優劣をつけた。
様々な人種の中で白い肌の人が最も美しく、全ての人種の基本形である――
他の4つはそれから退化した人種。
言ってみればこういうことです。
白人が original(本物)で、後りは全部 fake(偽物)――
反吐を吐きたくなるような【白人優越主義】ですが、
こうした思想が19~20世紀の帝国主義を支え、
欧米に富と繁栄をもたらしたんです。
もちろん、アジアやアフリカの人々の犠牲の上に……

そしてフリッツ・ハーバーも、人種差別に苦しんだ一人でした。
彼はユダヤ人であり、
それだけの理由でナチスにドイツを追われました。
あれだけ祖国に貢献したにもかかわらず。

結局。
【機械論 vs 生気論】という視点に未来の展望はないような気がいたします。
どちらが正しいか間違っているかという問題ではなく、
もっと謙虚な気持ちで生命を見つめなおす必要があるんじゃないでしょうか?

有機農業の提唱者であるアルバート・ハワード(Albert Howard )が憂えたのは、
食の安全ではなく農地の荒廃でした。
人間が食に供する植物ばかりを強制することにより、
土中の生態系が破壊されてしまうという懸念でした。
そうなれば土地は命を失い、結局、農業自体の存続が脅かされます。
お気を悪くされる方がいるかもしれませんが、
敢えて申し上げましょう。
農業による環境破壊――それを問題視したんです。

そろそろまとめましょう。
自然のメカニズムはとても複雑かつ繊細で、
様々な偶然の連鎖によって営まれています。
それ故に、脆くもあり可変性を秘めている。
ところで、人の肌の色を決定しているのは何でしょう?
特に女性の方は良くご存知でしょう。
そうです!!!
メラニン(melanin)という黒色色素です。

図をクリックすると拡大します
organic-10

メラニンをご覧になって、きっと気づいたはずです。
植物のリグニンにソックリ――でしょ?
それもそのはず。
メラニンはドーパやドーパミンが重合した高分子化合物ですが、
ドーパはアミノ酸のチロシンが酸化した化合物です。
そして、4-クマル酸もチロシンやフェニルアラニンから合成されます。
だから、瓜二つなのも当然!!!

小さな分子レヴェルで見れば、
人間も自然の一部なんだということがよくわかります。
古代インドには【梵我一如】という思想がありしたが、
宇宙を支配する原理と人を支配する原理は同じであるという意味。
私には到底理解できませんが、
ひょっとしたら、これも【梵我一如】に通じるのかもしれません。

しかし、それ故に危うくもある。
メラニン合成も偶然の連鎖であり、
活性酸素を”隠し味”にして、
酸化(oxidation )と抗酸化(antioxidation )の匙加減で”味”が決まります。
酸化が全て悪いとか、抗酸化が全て良いというわけではない――
最近私は、そんな風に考えております。

そうそう。
木酢液の話に”けり”をつけておきましょう。
木材の乾留液の上澄液が木酢液、下に沈殿する油状成分が木タールです。
木酢液の主成分は概ね酢酸で、
成分比に違いはありますが、フェノール類やメタノールを 必ず 含みます。
これは木材の良し悪しや製造工程の問題ではなく
木材にはリグニンがあるわけだから、
残念ながら、全ての木酢液に含まれている次第です。

お風呂に入れれば揮発成分を吸っちゃうだろうし、
室内に散布するのもできれば控えた方が良い。
まして、これを飲むなんていうのは、
とてもお奨めできたものではございません。
そんなリスクを犯すくらいだったら、
黒酢を飲まれた方が宜しいのでは?
もっとも、黒酢だって飲みすぎは良くありません…… 辺見えみり ちゃん、ごめんなさい m(__)m


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アンモニアからの硝酸ナトリウム

第一次世界大戦でドイツのBASF社はアンモニアから硝酸ナトリウムを
製造したそうですが、どんなプロセスなのでしょうか。

アンモニア→硝酸→硝酸ナトリウム ではないと「大気をパンに変える錬金術」
T.ヘイガーの本に書いてあります。

オストワルト法だと思います

はじめまして。
コメントありがとうございます。

ご質問の件ですが、
私はオストワルト法だと思っておりました。
これはアンモニアを酸化して硝酸を得る合成法で、
1902年、ドイツのF.W.Ostwaldによって考案されたものです。
総合的には、次のような反応式になります。

 NH3 + 2O2 → HNO3 + H2O

ただし、直接アンモニアから硝酸を得ることはできません。
実際には、3つのプロセスを経て合成されます。

1.アンモニアを900℃に加熱し、白金触媒を用いて酸化することで一酸化窒素を合成します
 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O

2.一酸化窒素を酸素と混合して常温に戻すと、一酸化窒素は酸素と反応して二酸化窒素になります
 2NO + O2 → 2NO2

3.最後に、二酸化窒素と水を反応させると硝酸が生成します
 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

生じた一酸化窒素は2の反応に再利用されるので、
アンモニアの窒素は全て硝酸の合成に用いられることになります。
後は、炭酸ナトリウムや水酸化ナトリウムと反応させれば、
容易に硝酸のNa塩が得られます。

ポイントは、
酸化しにくいアンモニアをいったん一酸化窒素に変える点で、

 NH3 → NO → NO2 → HNO3

このように変化していくわけです。
ただし、BASFがこの合成法を用いていたのかと問われれば、
はっきりと確認したわけではございません。
とはいっても、これ以外の方法も思いつきません。

もし間違ってたら、ごめんなさい m(__)m

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