哈伯與諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)
翻閱諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的記錄，就能看到處1916?1917年沒有頒獎(jiǎng)，因?yàn)檫@期間，歐洲正經(jīng)歷著第一次世界大戰(zhàn)，1918年頒了獎(jiǎng)， 化學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)化學(xué)家哈伯。這引起了科學(xué)家的議論，英法等國(guó)的一些科學(xué)家公開地表示反對(duì)，他們認(rèn)為，哈伯沒有資格獲得這一榮譽(yù)。這究竟是為什么？ 隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)氮肥的需求量在迅速增長(zhǎng)。在19世紀(jì)以前，農(nóng)業(yè)上所需氮肥的來源主要來自有機(jī)物的副產(chǎn)品，如糞類、種子餅及綠肥。1809年在智利發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很大的硝酸鈉礦產(chǎn)地，并很快被開采。一方面由于這一礦藏有限，另一方面，軍事工業(yè)生產(chǎn)炸藥也需要大量的硝石，因此解決氮肥來源必須另辟途徑。 一些有遠(yuǎn)見的化學(xué)家指出：考慮到將來的糧食問題，為了使子孫后代免于饑餓，我們必須寄希望于科學(xué)家能實(shí)現(xiàn)大氣固氮。因此將空氣中豐富的氮固定下來并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式，在20世紀(jì)初成為一項(xiàng)受到眾多科學(xué)家注目和關(guān)切的重大課題。哈伯就是從事合成氨的工藝條件試驗(yàn)和理論研究的化學(xué)家之一。 利用氮、氫為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個(gè)較難的課題，從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，約經(jīng)歷了150年的時(shí)間。1795年有人試圖在常壓下進(jìn)行氨合成，后來又有人在50個(gè)大氣壓下試驗(yàn)，結(jié)果都失敗了。19世紀(jì)下半葉，物理化學(xué)的巨大進(jìn)展，使人們認(rèn)識(shí)到由氮、氫合成氨的反應(yīng)是可逆的，增加壓力將使反應(yīng)推向生成氨的方向：提高溫度會(huì)將反應(yīng)移向相反的方向，然而溫度過低又使反應(yīng)速度過��；催化劑對(duì)反應(yīng)將產(chǎn)生重要影響。這實(shí)際上就為合成氨的試驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。當(dāng)時(shí)物理化學(xué)的權(quán)威、德國(guó)的能斯特就明確指出：氮和氫在高壓條件下是不能夠合成氨的，并提供了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。法國(guó)化學(xué)家勒夏特里第一個(gè)試圖進(jìn)行高壓合成氨的實(shí)驗(yàn)，但是由于氮?dú)浠旌蜌庵谢爝M(jìn)了氧氣，引起了爆炸，使他放棄了這一危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)。在物理化學(xué)研究領(lǐng)域有很好基礎(chǔ)的哈伯決心攻克這一令人生畏的難題。 哈伯首先進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，探索合成氨的最佳物理化學(xué)條件。在實(shí)驗(yàn)中他所取得的某些數(shù)據(jù)與能斯特的有所不同，他并不盲從權(quán)威，而是依靠實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)，終于證實(shí)了能斯特的計(jì)算是錯(cuò)誤的。在一位來自英國(guó)的學(xué)生洛森諾的協(xié)助下，哈伯成功地設(shè)計(jì)出一套適于高壓實(shí)驗(yàn)的裝置和合成氨的工藝流程，這流程是：在熾熱的焦炭上方吹人水蒸汽，可以獲得幾乎等體積的一氧化碳和氫氣的混和氣體。其中的一氧化碳在催化劑的作用下，進(jìn)一步與水蒸汽反應(yīng)，得到二氧化碳和氫氣。然后將混和氣體在一定壓力下溶于水，二氧化碳被吸收，就制得了較純凈的氫氣。同樣將水蒸汽與適量的空氣混和通過紅熱的炭，空氣中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉，從而得到了所需要的氮?dú)狻?氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蜌怏w在高溫高壓的條件下及催化劑的作用下合成氨。但什么樣的高溫和高壓條件為最佳？以什么樣的催化劑為最好？這還必須花大力氣進(jìn)行探索。以鍥而不舍的精神，經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，哈伯終于在1909年取得了鼓舞人心的成果。這就是在600℃的高溫、200個(gè)大氣壓和鋨為催化劑的條件下，能得到產(chǎn)率約為8％的合成氨。8％的轉(zhuǎn)化率不算高，當(dāng)然會(huì)影響生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。哈伯知道合成氨反應(yīng)不可能達(dá)到象硫酸生產(chǎn)那么高的轉(zhuǎn)化率，在硫酸生產(chǎn)中二氧化硫氧化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率幾乎接近于100％。怎么辦？哈伯認(rèn)為若能使反應(yīng)氣體在高壓下循環(huán)加工，并從這個(gè)循環(huán)中不斷地把反應(yīng)生成的氨分離出來，則這個(gè)工藝過程是可行的。于是他成功地設(shè)計(jì)了原料氣的循環(huán)工藝。這就是合成氨的哈伯法。 走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，仍將要付出艱辛的勞動(dòng)。哈伯將他設(shè)計(jì)的工藝流程申請(qǐng)了專利后，把它交給了德國(guó)當(dāng)時(shí)最大的化工企業(yè)??巴登苯胺和純堿制造公司。這個(gè)公司原先計(jì)劃采用以電弧法生產(chǎn)氧化氮，然后合成氨的生產(chǎn)方法。兩相比較，公司立即取消了原先的計(jì)劃，、組織了以化工專家波施為首的工程技術(shù)人員將哈伯的設(shè)計(jì)付諸實(shí)施。 首先，根據(jù)哈伯的工藝流程，他們找到了較合理的方法，生產(chǎn)出大量廉價(jià)的原料氮?dú)�、氫氣。通過試驗(yàn)，他們認(rèn)識(shí)到鋨雖然是非常好的催化劑，但是它難于加工，因?yàn)樗c空氣接觸時(shí)，易轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性的四氧化物，另外這種稀有金屬在世界上的儲(chǔ)量極少。哈伯建議的第二種催化劑是鈾。鈾不僅很貴，而且對(duì)痕量的氧和水都很敏感。為了尋找高效穩(wěn)定的催化劑，兩年問，他們進(jìn)行了多達(dá)6500次試驗(yàn)，測(cè)試了2500種不同的配方，最后選定了含鉛鎂促進(jìn)劑的鐵催化劑。開發(fā)適用的高壓設(shè)備也是工藝的關(guān)鍵。當(dāng)時(shí)能受得住200個(gè)大氣壓的低碳鋼，卻害怕氫氣的脫碳腐蝕。波施想了許多辦法，最后決定在低碳鋼的反應(yīng)管子里加一層熟鐵的村里，熟鐵雖沒有強(qiáng)度，卻不怕氫氣的腐蝕，這樣總算解決了難題。 哈伯的合成氨的設(shè)想終于在1913年得以實(shí)現(xiàn)，一個(gè)日產(chǎn)30噸的合成氨工廠建成并投產(chǎn)。從此合成氨成為化學(xué)工業(yè)中發(fā)展較快，十分活躍的一個(gè)部分。合成氨生產(chǎn)方法的創(chuàng)立不僅開辟了獲取固定氮的途徑，更重要的是這一生產(chǎn)工藝的實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)化學(xué)工藝的發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響。合成氨的研究來自正確的理論指導(dǎo)，反過來合成氨生產(chǎn)工藝的研試又推動(dòng)了科學(xué)理論的發(fā)展。鑒于合成氨工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)和它的研究對(duì)化學(xué)理論發(fā)展的推動(dòng)，決定把諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予哈伯是正確的。哈伯接受此獎(jiǎng)也是當(dāng)之無愧的。
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