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人类进入农耕社会已经有近万年的历史,但是直到一百多年前才认识到施肥的重要性。没有足够的肥料,粮食产量就不会高。

图片来自pixabay

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植物循环是一种施肥的方式,但实在是杯水车薪。最早大量施用的肥料来自于海岛上沉积的鸟粪,枯竭之后又开始使用硝酸盐矿。

然而硝酸盐矿毕竟是不可再生资源,总有采完的一天。从19世纪后期开始,“求助于化学”就成为了有识之士的共识。空气在中充满了氮气,而氢气也不难获得,如果能把它们合成氨气,就有了取之不竭的氮肥来源。

一位又一位的化学家尝试了许多方法,都没有获得有现实意义的成功。

1904年,德国化学博士弗里茨·哈珀接受了一个课题:用实验数据来判断“从氮气和氢气合成氨”是否具有现实可行性。实际上,哈珀的个人态度倾向于“不能”,不过作为一位科学工作者不用自己的“倾向性”代替数据,又或者是拿了研究经费,总是需要做事情,他和助手一起做了实验。在1000°C左右的高温、用铁做催化剂,能够合成氨,但转化率只有0.012%的样子。

Fritz Haber

Fritz Haber

这样的转化率很难有生产价值,他也就准备把这作为结论而终止这项研究。

当时有一位化学家叫能斯特,已经名声显赫,堪称学界大佬,他因为提出热力学第三定律在后来获得了1920年的诺贝尔化学奖。他的计算出的合成氨转化率明显要比哈珀的实验结果低很多。他指出哈珀的结果不对,哈珀深受刺激,只好再次重复之前的实验。这次的结果更为精确,也相当接近能斯特的理论值,只是依然要高一些。

在多数情况下,实验值和理论值有一定偏差会被大家接受。但能斯特不这么想,他公开质疑哈珀的结果,暗示其实验存在问题。

当时哈珀尚未成名,学界大佬的苦苦相逼给他带来了巨大的压力。他和助手按照能斯特的方式改进实验,试图证明自己并没有出错。没想到,在实验过程中他们发现:如果把压力加到更高(当时能够达到的最大压力是200个大气压),并把反应温度降低到600°C左右,那么合成氨的转化率能够达到8%左右!

这个转化率,就有生产价值了。

这一发现彻底改变了合成氨的前景,与能斯特的较劲也就无关紧要。哈珀和助手设计了新的实验装置,在1909年7月2日进行展示,合成氨的转化率达到了10%。

那一天,他们生产出了100毫升的液氨。这标志着人类攻克了从单质气体合成氨的挑战,使得人们能“求助化学”生产肥料。

当然,这个实验装置只是展示了原理,真正要进行工业生产还有太多的实际困难需要克服。巴斯夫公司的卡尔·波什接受了这个任务。经过两年多的努力,他终于在1912年制造出了日产超过1吨氨的设备。

Carl Bosch

Carl Bosch

能斯特大概没有想到,一时的意气之争会促使哈珀和波什把合成氨从“理论上的可能”突破到了“商业化的生产”。他对哈珀的专利提出了异议,认为哈珀的实验是根据他的实验来做的。经过谈判,巴斯夫公司支付了5年每年1万马克的酬劳,换取能斯特撤回对哈珀专利的反对。

到1914年,巴斯夫的合成氨工厂已经达到了年产7200吨的规模。这些氨可以生产出36000吨的硫铵肥料。很快,第一次世界大战爆发,本该用于农业生产的氨也被政府征用去生产炸药和军火。

第一次世界大战结束之后,哈珀获得了1918年的诺贝尔化学奖。因为哈珀在战争中成为了德国政府的帮凶,他研发的化学武器第一次使用就杀死了5000人,这个颁奖决定引起了各国科学家的抗议。不过评奖的瑞典皇家科学院坚持认为:合成氨将会造福人类。而事实也的确如此,20世纪人口激增,如果没有合成氨为基石的绿色革命,将会有一半的人陷入饥荒。

能斯特的逼迫,使得本已放弃合成氨研究的哈珀,后来居上比能斯特早两年获得了诺贝尔化学奖。而合成氨原理扩大到商业生产规模的波什,在哈珀研究化学武器的时候继续改进工艺,完善了高压化学反应并且应用到其他生产中。1931年,他也获得了诺贝尔化学奖。

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