諾貝爾化學獎獲得者哈伯的雙面人生

第一次世界大戰爆發後。在比利時弗蘭德省伊普雷小鎮的西南面，發生了一場毀滅性的災難，而這場災難的罪魁禍首則是德軍違反國際《海牙宣言》公約，使用了毒氣彈——氯！

這場毒氣戰共造成大約5千名協約國官兵死亡，1萬人受傷（他們中50%後來都變成了殘疾人）。事後，一名軍醫對死者進行屍檢後作了這樣的描繪：死者的臉、頸部，以及手部明顯變色。打開死者胸腔，可見兩葉肺腫脹。搬動遺體時，死者肺中滲出大量淡黃色帶泡沫的分泌液。據這名軍醫稱，這種死亡是由於「空氣飢餓」造成的，或者說是「被淹死在自己的分泌物之中」。

實施一場毒氣戰除了離不開強大的化學工業支持外，還需要化學家的精心指導。德國化學家弗里茨·哈伯在所謂的「愛國心」驅使下，就充當了這個被稱為「戰爭魔鬼」的角色。更令人不可思議的是，這個「戰爭魔鬼」後來竟榮獲了1918年諾貝爾化學獎。此事說來就話長了……

克魯克斯的「危言」

19世紀，德國黑森公國的化學家李比希注意到，達姆施塔特市郊的莊稼正在逐年減產。農民們都說，土地越來越貧瘠了，哪能指望好收成呢？眼看土地就要荒廢了！

「要是能給土壤增加一些營養，莊稼不就可以豐收了嗎？」李比希說。「先生，這您就不懂了，我們庄稼人祖祖輩輩都是這麼種地的，」一位農民反駁道，「您這麼說會鬧笑話的。」

但是李比希早就立志將化學應用於農業，這可不是在說笑話。他查閱了大量資料，發現中國、印度等國的農民，為使莊稼豐收，不斷給土地施用人畜糞便。他推斷，這一定是由於糞便中含有能使土壤肥沃的成分，以及莊稼生長所需要的物質。但是在歐洲，人們在觀念上無法接受。「耕地到底缺乏什麼？莊稼的生長又需要什麼？」李比希暗自鼓勵自己，「我一定要弄個明白！」

李比希進行了大量實驗，終於發現氮元素是植物生長所必需的元素之一。植物通過吸收二氧化碳及水中的碳、氫、氧，通過光合作用產生澱粉、纖維素和脂肪。而構成生命的基礎——蛋白質，除了碳、氫、氧外，一般還含有16.5%的氮元素。於是他進一步指出，植物每年從土壤中帶走大量的氮元素，由於沒有及時得到補充，因而歐洲的土地正在年復一年地貧瘠下去。因此，他號召農民們在土壤中施加含氮的化合物當肥料，並親自從智利運來了含氮的硝石（硝酸鈉）。但是，科學的思想不是一下子就能被大家接受的。當時，誰也不願意花錢買「石頭」撒到土地中。第一批硝石几乎沒人買，最終只好倒入海中。

事實會教訓人，時間更會做出正確的判斷。沒過多久，農民們通過對比終於認識到往土壤里補充氮元素的重要性。於是，大家就爭著去買硝石。

但是，到了1895年，英國著名的光譜學家克魯克斯卻發表了震驚世界的演講。他說：「位於大洋彼岸的智利硝石礦藏有限，資源將日益枯竭。一旦沒有了智利硝石，那麼歐洲土地中的氮元素必將急劇減少，收成會再次一落千丈……」於是，他向化學家們發出緊急呼籲：全力以赴解除「氮荒」威脅。

克魯克斯的言論似乎有點「危言聳聽」。因為氮氣在空氣中的體積佔4/5，總量高達4千萬億噸（4x1015/噸），平均每平方千米上空的氮氣就有1000萬噸之多。但是，除了某些豆科植物的根瘤菌能將空氣中的氮轉化為化合物外，其他如水稻、小麥等主要農作物都無法直接吸收氮氣。

於是，哈伯又登場了。這一次他將扮演什麼角色呢？

哈伯的傑出貢獻

利用氮和氫作為原料合成氨的工業化生產曾是一個較難的課題。研究表明，農作物只能吸收、利用包含在化合物中的氮元素。而氮氣分子是由兩個氮原子構成的，其分子式為N2。這兩個氮原子之間形成3根結合很牢固的共價鍵（N≡N）。所以要把氮氣轉換為氮的化合物，首先必須把共價鍵「拆開」，化學上稱為氮原子的「活化」，這需要很大的能量。雖然提高溫度可以增加活化能，但由於這是一個「可逆反應」，因而活化的同時又促進了氨的分解。所以一百多年來，氨氣的合成實驗均以失敗告終。

19世紀下半葉開始，科學家們逐漸發現，使用催化劑可以降低氮的活化能，從而提高壓力，使反應向氨的合成方向發展。

法國化學家勒夏特里雖然是第一個試圖進行高壓合成氨實驗的人，但他的實驗由於在氮氫混合氣中混入氧氣引發爆炸而半途而廢。當時，年僅23歲就被柏林大學破格授予化學博士學位的哈伯，卻在綜合前人研究成果和失敗教訓的基礎上迎難而上，成功設計出一套適合於高壓實驗的裝置和合成氨的工藝流程。

大致的工藝流程如下：在熾熱的焦炭上方吹入水蒸汽，獲得幾乎等體積的一氧化碳和氫氣的混合氣體。一氧化碳在催化劑的作用下，進一步與水蒸汽反應，生成二氧化碳和氫氣。然後，將混和氣體在一定壓力下溶於水，這時二氧化碳被吸收，就製得了較為純凈的氫氣。同樣，將水蒸汽與適量的空氣混合後，通過熾熱的炭，空氣中的氧氣和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收掉，從而得到了所需要的氮氣。

1909年，哈伯憑藉鍥而不捨的精神，堅持不懈地探索、計算和實驗，終於使高壓合成氨的實驗獲得了重大突破。他在600℃高溫、200兆帕高壓條件下，用鋨作催化劑，以電解水生成的氫和大氣中的氮為原料，成功得到了濃度為8%的氨。這就是科學史上最初的「哈伯法合成氨」。

當時德國最大的化工企業——巴登苯胺和純鹼製造公司的高層，迅速察覺到了哈伯該項發明的重大價值，於是指派化工專家卡爾·博施與他合作。博施認為，哈伯使用的催化劑金屬鋨難以加工，因為它與空氣接觸時，易轉變為揮發性的四氧化物。另外，這種稀有金屬的價格極其昂貴，必須尋找便宜實用的催化劑來替代。於是，哈伯建議改用鈾為催化劑。但鈾對氧氣和水都很敏感，其催化效果很容易喪失。於是他們經過2萬多次實驗，測定了2500多種不同的配方，終於成功研製出了含鉛鎂促進劑的鐵催化劑。當然，開發適用的高壓設備也是工藝的關鍵。由於經受高壓的低碳鋼反應器很容易受到氫氣的腐蝕，因而博施決定改用合金鋼代替低碳鋼，解決了這個難題。

1913年，巴登苯胺和純鹼製造公司建成了世界上第一座合成氨工廠，並很快將日產量提高到了30噸。這種經過改進，使合成氨實現工業化的方法被稱為「哈伯-博施法」。

合成氨的大規模生產具有十分重大的意義。它使人類從此擺脫了依靠天然氮肥的被動局面，加速了世界農業的發展。更值得人們關注的是，1911年的一天，合成氨方法初獲成功，德皇威廉二世就屈駕親臨小城卡爾斯魯厄的哈伯實驗室。此舉對哈伯後來的命運又產生了怎樣的影響呢？

（未完待續）

更多精彩內容，敬請期待2016年11期和12期《科學24小時》！

TAG:科學24小時 |

※俄羅斯間諜在華爾街的雙面人生
※米蘭雙面人：大羅爭議 伊布巴喬傳奇
※米蘭德比的十大「雙面人」：伊布巴喬傳奇，大羅爭議
※走近巴基斯坦易裝癖者 保守穆斯林國度的雙面生活
※曼徹斯特恐襲兇手的雙面人生：曼聯球迷 基地擁躉
※忠奸莫辨，權臣鰲拜的雙面人生
※歐陽娜娜即將開啟雙面人生，和奧克斯探尋無限可能
※9大皇馬巴薩雙面人 一人曾破天價紀錄 另一人神跡壓制梅西C羅
※布魯克斯先生——成功企業家的雙面人生，摘掉眼鏡你就有危險
※C羅領銜小貝經典 五大皇馬曼聯雙面天王誰最帥？
※雙面貝聿銘
※雙面卡蘭尼克：威風凜凜 黯然狼狽
※圖看地球上最神奇的喵星人，塞爾維亞「雙面貓」的靦腆照
※雙面洛克菲勒：資本主義推銷員捐建了協和醫學院
※諾基亞新機終於來了：卡爾蔡司雙攝＋雙面玻璃！
※多倫多電影節《雙面格蕾絲》首映禮 莎拉·加頓與男星玩貼面親親
※《雙面情人》戛納首映伊莎貝兒·歌勒艷驚全場 真空上陣秀傲人曲線
※孫儷：成功女人的雙面人生
※唐太宗李世民的雙面人生——帶血的王位和博大的帝王心