ハーバー・ボッシュ法
ハーバー・ボッシュ法の開発前は、アーク放電により窒素を酸化して窒素固定を行う手法が発明されたが、1トンの窒素を固定するのに6万キロワット時以上の電力量を消費するため、ほとんど使用されていなかった。1901年、ドイツ人のフランクとカロはカーバイドを700–1000 °Cで窒化させ、石灰窒素を合成することに成功した。石灰窒素を加水分解するとアンモニアが生成し、世界で初めて工業的にアンモニアを製造した。1919年の第一次世界大戦終結後、ハーバー・ボッシュ法も技術公開の対象となり、イタリアのカザレー法・ファウザー法、フランスのクロード法が生まれた。なお、これらのアンモニア合成法は原料ガスの製造方法や窒素・水素混合ガスの反応条件、触媒の差異はあるものの、いずれもハーバー・ボッシュ法が基礎となっている。
ハーバー・ボッシュ法が完成し、第1次世界大戦を経たあとの1925年には、ヴァイマル共和政のドイツに、カール・ボッシュを社長とする化学工業大手のIG・ファルベン社が発足し、これに対抗してイギリスの化学業界はインペリアル・ケミカル・インダストリーズを設立した。国際貿易上では硫酸アンモニウム肥料の激しいダンピング競争が生じた。
1928年には、化学工業の国際大手の化学工業社のあいだで、硫酸アンモニウム肥料に関する強力な国際カルテルであるヨーロッパ国際窒素協定が締結された 。
まず、メタンを精製して触媒を失活させる硫黄分を除去する。約1000 °C、3 MPaで精製したメタンを酸化ニッケル(II)を触媒として水蒸気と反応させる。これは水蒸気改質と呼ばれる。
CH 4 + H 2 O ⟶ CO + 3 H 2 {\displaystyle {\ce {{CH4}+ H2O -> {CO}+ 3H2}}}
水素量に対応する化学量論量の窒素を含有するだけの空気を加えて、水蒸気改質で残存したメタンを酸化させる。水素の一部も燃焼する。いずれも大きな発熱反応であり、発生した熱(およそ1000 °Cに達する)を利用して水蒸気改質に用いる高温高圧の水蒸気を得る。
2 CH 4 + O 2 ⟶ 2 CO + 4 H 2 {\displaystyle {\ce {{2CH4}+ {O2}-> {2CO}+ {4H2}}}}
CH 4 + 2 O 2 ⟶ CO 2 + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {{CH4}+ {2O2}-> {CO2}+ {2H2O}}}}
2 H 2 + O 2 ⟶ 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {{2H2}+ {O2}-> {2H2O}}}}
パンの原料である小麦を始めとして、農作物を育てるには、窒素・リン・カリウムの肥料の三要素が不可欠だが、ハーバー・ボッシュ法は、窒素を供給する化学肥料の大量生産を可能とし、結果として農作物の収穫量は飛躍的に増加した。このためハーバー・ボッシュ法は、水と石炭と空気からパンを作る方法とも称された。
化学肥料の誕生以前は、単位面積あたりの農作物の量に限界があるため、農作物の量が人口増加に追いつかず、人類は常に貧困と飢餓に悩まされていた(マルサスの人口論)。
しかし、ハーバー・ボッシュ法による窒素の化学肥料(硫酸アンモニウムも参照)の誕生や、過リン酸石灰によるリンの化学肥料の誕生により、ヨーロッパやアメリカ大陸では、人口爆発にも耐えうる生産量を確保することが可能となった。これは1940年代から1960年代にかけて起きた、18世紀の農業革命に続く「緑の革命」の先駆けとなった。また日本などでは従来肥料として用いられてきた屎尿による寄生虫の感染も避けられるようになった。
ハーバー・ボッシュ法は同時に爆薬の原料となる硝酸の大量生産を可能にしたことから、平時には肥料を、戦時には火薬を空気から作るとも形容された。