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化学 1909

由元素合成氨

弗里茨·哈伯(与卡尔·博施)

把空气中惰性的氮逼成氨,从天上造出了化肥——养活了亿万人,也武装了一场战争。

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In depth · the introduction

空气里五分之四是氮,庄稼却会因缺氮而挨饿。哈伯找到了一个办法,从天上把那些氮抓下来。

核心想法

每一株植物——进而每一只动物、每一个人——都需要氮来构建蛋白质与 DNA。奇怪的是,我们其实泡在氮里:氮约占空气的 78%。但空气里的那种氮,N₂,被锁在一个稳定得几乎没有任何活物能撬开、能利用的分子里。

弗里茨·哈伯找到了把它强行打开的办法。在巨大的压强与高温下,再借一种能加快反应的金属之力,空气中的氮与氢结合,生成氨——化肥的原料。植物所需的氮,第一次可以从稀薄的空气里制造出来,而不必再从地下挖取。

它是如何诞生的

到 1900 年,世界正悄悄酝酿一场危机。庄稼的施肥,主要靠从智利开采的硝石与海鸟粪,而化学家威廉·克鲁克斯警告说:这些正在枯竭——不断增长的人口,也许会超出它能养活的限度。谁能从空气里把氮拽出来,谁就能养活世界。

约在 1909 年,哈伯在卡尔斯鲁厄造出了一台小小的高压装置,恰恰做到了这件事,产出一缕稳定的氨。化工企业巴斯夫买下了这个想法,工程师卡尔·博施在那里完成了第二个奇迹:他把一个娇贵的实验台反应,放大进能扛住压垮一切之压强的巨型钢制容器,而一位同事则找到一种廉价的铁催化剂,取代了哈伯所用的稀有金属。第一座工厂于 1913 年开工。但这个故事有黑暗的下半段:哈伯一头扎进德国的战争事业,成了毒气战之父,而同一个造出化肥的反应,也造出了炸药所用的硝酸盐。他在 1918 年获诺贝尔奖,激起国际公愤;而身为犹太人的他,后来又被纳粹逐出了德国。

它为何重要

很难再举出另一个改变了更多人命运的化学反应。靠着让化肥变得廉价而充裕,哈伯—博施让农田多养活了数十亿人;一个常见的估计是:如今活着的人里,大约一半是靠它养活的。而这股驾驭氮的同样力量,也武装了一个世纪的战争。这是我们手上最清楚的一个例子:一项发现,既不可或缺,又危险。

一个可以想象的画面

想象两个独处时怡然自得、拒绝接受舞伴的舞者——那就是氮那对紧紧相拥的 N₂。要让他们改与氢牵手,你就把舞池挤满(高压把他们推到一起),再雇一个自己不被消耗的媒人来牵线(催化剂)。升温能让大家都更快,可一旦太热,新结的对又会散开——于是你定下一个谨慎的中间温度。把他们挤拢、加热到刚刚好、再不停地把没跳上的人循环回去,一股稳定的新对子——氨——就走下了舞池。

可交互的氨平衡:两个滑块为「氮加氢变成氨」设定温度与压强;柱状显示有多少比例的气体变成了氨,升高压强时上升、升高温度时下降。

它的位置

这是工业化学的第一次伟大胜利,它立足于吉布斯的平衡思想、勒夏特列原理,也立足于本馆已有的道尔顿、阿伏伽德罗与路易斯的原子化学。它回应了那个时代的氮荒之忧——也为二十世纪化学工业赖以建立的高压催化过程,立下了范本。

The original document
Original source text
Fritz Haber · Nobel Lecture, Stockholm · 2 June 1920 · "The Synthesis of Ammonia from its Elements"
The reaction
Gaseous nitrogen combines with gaseous hydrogen in simple quantitative proportions to produce gaseous ammonia.
[Editorial summary] The lecture then stresses that this union is reversible and never complete: at any temperature and pressure the gases settle into a chemical equilibrium — a fixed fraction of ammonia coexisting with unreacted nitrogen and hydrogen — and the whole industrial problem is how to make that fraction large and reach it fast.
Equilibrium versus rate
[Editorial summary] Haber recounts measuring the equilibrium and finding it discouraging: because the reaction gives out heat and shrinks four gas molecules into two, ammonia is favoured by high pressure and low temperature, yet at the low temperatures the equilibrium prefers, the gases react impossibly slowly. The way through was a catalyst — he reports finding osmium, then uranium, effective — run under high pressure, with the unreacted gas recirculated again and again so that small per-pass yields accumulate.
From bench to industry
[Editorial note] Haber's 1909 table-top apparatus, built with his assistant Robert Le Rossignol, produced a steady drip of liquid ammonia and was demonstrated to BASF. Carl Bosch and Alwin Mittasch then turned it into the first large-scale high-pressure chemical industry — pressure-bearing steel reactors and a cheap promoted-iron catalyst that is still used — and the first factory opened at Oppau in 1913.
[ … ]
Karlsruhe & Stockholm · 1909–1920