The chemical reaction that feeds the world - Daniel D. Dulek

翻訳: Charlotte Swift 校正: Tomoyuki Suzuki

What would you say

この数世紀の間の

is the most important discovery

最も重要な発見は

made in the past few centuries?

何だと思いますか？

Is it the computer?

コンピューターでしょうか？

The car?

それとも車？

Electricity?

電気？

Or maybe the discovery of the atom?

もしくは原子の発見？

I would argue that it is this chemical reaction:

私はこの化学反応だと思います

a nitrogen gas molecule

気体の窒素分子１つと

plus three hydrogen gas molecules

気体の水素分子３つが 合わさると

gets you two ammonia gas molecules.

気体のアンモニア分子２つが できる反応です

This is the Haber process

これはハーバー法というもので

of binding nitrogen molecules in the air

空気中の窒素分子と

to hydrogen molecules,

水素分子が結合し

or turning air into fertilizer.

空気から肥料が できるというものです

Without this reaction,

この化学反応がなければ

farmers would be capable of producing enough food

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

for only 4 billion people;

our current population is just over 7 billion people.

現在の人口は70億人を 上回ったところです

So, without the Haber process,

したがって ハーバー法なしには

over 3 billion people would be without food.

30億人が 食料にありつけません

You see, nitrogen in the form of nitrate, NO3,

硝酸塩―NO3―という形で 存在する窒素は

is an essential nutrient for plants to survive.

植物が生き延びるのに 必要不可欠な栄養素です

As crops grow, they consume the nitrogen,

作物が生長する時に 土壌から窒素を吸収し

removing it from the soil.

土から窒素が取り除かれます

The nitrogen can be replenished

窒素は 動物の腐敗などの

through long, natural fertilization processes

長期間にわたる 自然な肥沃化の過程によって

like decaying animals,

補充されますが

but humans want to grow food

人間はそれよりも ずっと短期間に

much faster than that.

作物を育てる 必要があります

Now, here's the frustrating part:

ここからが ややこしいところです

78% of the air is composed of nitrogen,

空気の78％は 窒素で構成されていますが

but crops can't just take nitrogen from the air

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

because it contains very strong triple bonds,

なぜなら窒素は非常に強い 三重結合を持っており

which crops cannot break.

作物はこの結合を 切ることができないからです

What Haber did basically

ハーバーが成しえたことは

was figure out a way

根本的にいえば

to take this nitrogen in the air

空気中の窒素を取り込み

and put it into the ground.

これを土に送り込む方法の発見です

In 1908, the German chemist Fritz Haber

1908年ドイツの化学者 フリッツ・ハーバーは

developed a chemical method

空気中に 豊富にある窒素を

for utilizing the vast supply of nitrogen in the air.

利用するための 化学的な方法を編み出しました

Haber found a method

which took the nitrogen in the air

ハーバーは

空気中の窒素を取り込み

and bonded it to hydrogen

水素と結合させて

to form ammonia.

アンモニアを生成する 方法を発見したのです

Ammonia can then be injected into the soil,

そして アンモニアは 土壌に注入された後

where it is quickly converted into nitrate.

速やかに 硝酸塩に変換されます

But if Haber's process was going to be used

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

to feed the world,

he would need to find a way

ハーバーは

to create a lot of this ammonia quickly and easily.

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

In order to understand

ハーバーが

how Haber accomplished this feat,

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

we need to know something

私たちは化学平衡について 知る必る必要があります

about chemical equilibrium.

Chemical equilibrium can be achieved

化学平衡は 密閉容器の中で

when you have a reaction in a closed container.

化学反応が起きたときに 達成されます

For example, let's say you put

例えば

hydrogen and nitrogen into a closed container

密閉容器の中に 水素と窒素を注入し

and allow them to react.

反応させます

In the beginning of the experiment,

実験の 初期の段階では

we have a lot of nitrogen and hydrogen,

多くの窒素と水素があるので

so the formation of ammonia

アンモニアは 速い速度で

proceeds at a high speed.

生成されます

But as the hydrogen and nitrogen react

ところが水素と窒素が反応を起こし 消費されるにつれ

and get used up,

the reaction slows down

反応速度が低下します

because there is less nitrogen and hydrogen

容器の中の窒素と水素の量が 減るからです

in the container.

Eventually, the ammonia molecules reach a point

やがて アンモニア分子は ある時点を境に

where they start to decompose

分解しはじめ

back into the nitrogen and hydrogen.

窒素と水素に戻ります

After a while, the two reactions,

しばらくすると アンモニアの生成と分解という

creating and breaking down ammonia,

２つの反応は

will reach the same speed.

同じ速度で起こるようになります

When these speeds are equal,

同じ速度になったとき

we say the reaction has reached equilibrium.

「平衡状態に達した」といいます

This might sound good, but it's not

一見 良いことのようですが

when what you want

大量のアンモニアを

is to just create a ton of ammonia.

生成したい時には 良いことではありません

Haber doesn't want the ammonia

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

to break down at all,

but if you simply leave the reaction

密閉容器の中で

in a closed container,

単に反応させておくと

that's what will happen.

分解が起こります

Here's where Henry Le Chatelier,

ここで フランスの化学者 アンリ・ル・シャトリエの

a French chemist,

can help.

登場です

What he found was

彼が発見したことは

that if you take a system in equilibrium

平衡状態にある系に

and you add something to it,

何か 例えば窒素を加えると

like, say, nitrogen,

the system will work

系は平衡状態に

to get back to equilibrium again.

戻ろうとする ということです

Le Chatelier also found

さらにル・シャトリエは

that if you increase

圧力を加えると

the amount of pressure on a system,

系は元の圧力に

the system tries to work

戻そうとすることを

to return to the pressure it had.

発見しました

It's like being in a crowded room.

混雑している部屋に いるようなものです

The more molecules there are,

分子の数が多いほど

the more pressure there is.

圧力が高くなりますが

If we look back at our equation,

はじめの化学反応式を 見てみると

we see that on the left-hand side,

左辺に４つの分子があり

there are four molecules on the left

and just two on the right.

右辺には２つしかありません

So, if we want the room to be less crowded,

部屋の密集度を下げて

and therefore have less pressure,

圧力を下げたい場合

the system will start

窒素と水素が

combining nitrogen and hydrogen

結合しはじめ

to make the more compact ammonia molecules.

よりコンパクトな アンモニア分子を生成します

Haber realized that in order to make

ハーバーは

large amounts of ammonia,

大量のアンモニアを 生成するには

he would have to create a machine

窒素と水素を 継続的に加え

that would continually add nitrogen and hydrogen

平衡状態にある系の

while also increasing the pressure

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

on the equilibrium system,

which is exactly what he did.

まさに それを実現しました

Today, ammonia is one of the most produced

現在 アンモニアは

chemical compounds in the world.

世界で最も多く生産される 化合物のひとつです

Roughly 131 million metric tons are produced a year,

年間 およそ1億3100万トン

which is about 290 billion pounds of ammonia.

つまり 2900億ポンドのアンモニアが 生産されており

That's about the mass

これは

of 30 million African elephants,

１頭が約4500キロのアフリカゾウ 3000万頭分に相当します

weighing roughly 10,000 pounds each.

80% of this ammonia is used in fertilizer production,

アンモニアの80％は 肥料生産に使われており

while the rest is used

残りは

in industrial and household cleaners

工業用や家庭用の洗剤

and to produce other nitrogen compounds,

また 硝酸など

such as nitric acid.

他の窒素化合物に 使われています

Recent studies have found

最近の研究によると

that half of the nitrogen from these fertilizers

肥料に含まれる 窒素の半分が

is not assimilated by plants.

植物に吸収されていないことが 示されました

Consequently, the nitrogen is found

その結果 窒素は

as a volatile chemical compound

揮発性の化合物として

in the Earth's water supplies and atmosphere,

地球の水系や大気中に 見出されており

severely damaging our environment.

環境に深刻な影響を 与えています

Of course, Haber did not foresee this problem

もちろん ハーバーが 発明をもたらしたとき

when he introduced his invention.

このような問題を 予期しませんでした

Following his pioneering vision,

彼の先駆的な洞察力を継ぎ

scientists today are looking

現在の化学者らは

for a new Haber process of the 21st century,

危険な結果を伴わずに

which will reach the same level of aid

同じ量のアンモニアを 生成することができる

without the dangerous consequences.

21世紀の新しいハーバー法を 探し求めています