由元素合成氨
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。
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。
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。
Gaseous nitrogen combines with gaseous hydrogen in simple quantitative proportions to produce gaseous ammonia.