俗話說(shuō)：“莊稼一枝花，全靠肥當(dāng)家。”但是，在20世紀(jì)之前，農(nóng)作物所需要的氮肥，來(lái)源卻是十分有限的。
19世紀(jì)初，在智利的沙漠地區(qū)，人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很大的硝酸納礦，于是，很快得到了開(kāi)采。到19世紀(jì)中葉，世界上所使用的氮肥就主要來(lái)自智利的這一礦床。但是，由于天然硝石的產(chǎn)量畢竟極其有限。智利的這個(gè)礦也只夠開(kāi)采幾十年，所以，當(dāng)時(shí)在世界上十分珍稀。除了稀少之外，從美洲到歐洲遙遠(yuǎn)的距離也是一個(gè)不利的重要原因。
到了19世紀(jì)后期，隨著煉焦工業(yè)在歐洲各國(guó)的逐漸興起，人們又發(fā)現(xiàn)，用練焦的副產(chǎn)產(chǎn)品氨為原料，可以制成硫酸銨，作為氮肥來(lái)使用，這樣，廉價(jià)的煉焦副產(chǎn)品又逐步成為氮肥的另一個(gè)來(lái)源。但是，還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需要。當(dāng)時(shí)農(nóng)業(yè)上所使用的氮肥主要來(lái)自有機(jī)物的副產(chǎn)品，比如：人和畜的糞便、花生餅、豆餅、臭魚(yú)爛蝦及動(dòng)物的下腳料等等。除此之外，還有極少量的氮素來(lái)自雷雨放電而形成的氮氧化物。
隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和地球人口的不斷增加，天然氮化合物的數(shù)量已越來(lái)越無(wú)法滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)的需要。世界各國(guó)越來(lái)越迫切要求建立規(guī)模巨大的生產(chǎn)氮化合物的工業(yè)。
1898年，英國(guó)物理學(xué)家克魯克斯，最先意識(shí)到化肥對(duì)人類的重要性，他在布里斯特召開(kāi)的大英科學(xué)協(xié)會(huì)上發(fā)表演說(shuō)，在列舉了大量事實(shí)之后警告人們說(shuō)：“由于人口增加，土地變得狹窄了，長(zhǎng)此下去，糧食不足的時(shí)代就會(huì)到來(lái)，解決的辦法是必須找到新的氮肥�！�
向空氣要氮肥
新的氮肥從哪里尋找？科學(xué)家們自然而然地想到了空氣�？茖W(xué)家們已經(jīng)知道，在地球周圍的空氣中，氮?dú)庹剂讼喈?dāng)大的一部分，約為 79%，可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭。但是，雖然空氣中有大量的游離氮，但氮的化學(xué)性質(zhì)卻很不活潑，要直接利用它還是很困難的�？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在自然界常溫狀態(tài)下，游離氮只能被一種在豆科植物上生長(zhǎng)的細(xì)菌所直接利用，這種菌叫做根瘤菌。根瘤菌有一種絕妙的本事，即它具有固氮的功能，它能夠在常溫下將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化成自身所需要的氮肥。于是，向空氣要氮肥成了科學(xué)家們追求的目標(biāo)。
克魯克斯的警告，首先引起了德國(guó)的重視，因?yàn)榈聡?guó)所瓜分的殖民地很少，糧食必須自給自足。和其他歐洲國(guó)家的科學(xué)家一樣，德國(guó)的化學(xué)家也在想使空氣中的氮?dú)馔瑲錃庵苯踊系玫胶铣砂�，并使它變成化肥硫酸銨。然而，這并不像使氧氣和氫氣化合生成水蒸氣那樣簡(jiǎn)單，許多化學(xué)家都認(rèn)為難以進(jìn)行，連著名的化學(xué)家李比希也認(rèn)為那是不可能的。
但是，李比希的結(jié)論的確有些過(guò)偏，人類進(jìn)入20世紀(jì)后，科學(xué)家逐漸要把這一切變成現(xiàn)實(shí)，已經(jīng)研制出了幾種將空氣中的氮作為化合物提取的空氣氮固定法，雖然不太實(shí)用，但卻為將來(lái)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。
1900年初，萊比錫大學(xué)的奧斯特瓦爾德教授經(jīng)過(guò)多年對(duì)催化劑的研究之后宣稱：氨已經(jīng)合成成功。他用鐵絲做催化劑，將氨分解為氮?dú)夂蜌錃猓催^(guò)來(lái)又使容積6%的氮?dú)夂蜌錃夂铣砂�。這的確是可能的，如果使用催化劑也許能夠進(jìn)行從前所不可能的氮和氫的化合。為此，他向德國(guó)巴登苯胺純堿公司(BASF化學(xué)公司)請(qǐng)求援助資金 100萬(wàn)馬克。
但是，還是有許多科學(xué)家感到懷疑，在眾多的懷疑者中，有一個(gè)人是經(jīng)過(guò)認(rèn)真思考而提出疑問(wèn)的，他就是剛進(jìn)入BASF公司工作 1年的青年工程師博施，此時(shí)他年僅26歲。
博施知道奧斯特瓦爾德合成氨成功的方法后，他重新進(jìn)行了這位大科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果他發(fā)現(xiàn)，那個(gè)所謂合成的氨根本不是合成的，實(shí)際上是因?yàn)榘狈纸鈱?shí)驗(yàn)時(shí)使用鐵絲而出來(lái)的，他思考再三，不知是否應(yīng)該指出這位大科學(xué)家的錯(cuò)誤，最后，他鼓足勇氣，公布了他的研究成果，正式指出了奧斯特瓦爾德的錯(cuò)誤。
對(duì)于許多著名的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，博施確實(shí)是無(wú)名之輩，有人指責(zé)他：“新參加工作的人懂得什么?”
但是，隨后一些科學(xué)家重復(fù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也證明了博施的正確，他們開(kāi)始對(duì)博施刮目相看，博施由此而名聲大振，從此，他對(duì)空氣中氮的固定法產(chǎn)生了興趣。
1902年，科學(xué)家弗蘭克和卡勒把碳化鈣用電爐加熱到1000℃以上，使它同空氣中的氮化合而制成石灰氮，但是，這并不意味著實(shí)現(xiàn)了人工合成氮肥的夢(mèng)想，因?yàn)橹圃焯蓟}必須把生石灰和焦炭裝進(jìn)2300℃以上高溫電爐，這樣，消耗了大量的電力，因而不太實(shí)用。所以，也就沒(méi)有從根本解決農(nóng)業(yè)上所需要的化肥問(wèn)題。
1903年，伯克蘭和艾德又研制出另外一種固定氮的方法，他們采取在空氣中放出電火花的方法，使空氣中的氮與氧化合，生成硝酸，進(jìn)而生成硝酸鈣，但是，同樣的問(wèn)題是：這種方法仍需要大量的電力。
奧斯特瓦爾德在公布了他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，博施等人指出了他的錯(cuò)誤，最后，他自己也認(rèn)識(shí)到了自己的錯(cuò)誤，他潛下心來(lái)，繼續(xù)深入地進(jìn)行催化劑的研究。
奧斯特瓦爾德所在的萊比錫大學(xué)，早在1897年 1月就建成了大型實(shí)驗(yàn)室，所以，他有深入研究不可缺少的條件。他同研究員一起進(jìn)行催化劑的研究。有一次，他們發(fā)現(xiàn)，僅用一千萬(wàn)分之一克的膠質(zhì)狀鉑催化劑的研究，就能使氧化氫分解速度提高 100萬(wàn)倍。他堅(jiān)信：催化劑對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)一定具有重要的作用。很久以來(lái)，對(duì)什么樣的化學(xué)反應(yīng)用什么樣的催化劑效果最好？什么樣的催化劑結(jié)構(gòu)對(duì)化學(xué)反應(yīng)起加速或延緩作用？這些問(wèn)題人們都不了解，全是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行摸索。奧斯特瓦爾德進(jìn)行了理論研究，他給催化劑下了這樣的定義：
“化學(xué)反應(yīng)尚未出現(xiàn)最終生成物時(shí)，能使反應(yīng)速度發(fā)生變化的物質(zhì)�！�
他還形象地把催化劑比喻為“機(jī)械潤(rùn)滑油”，它并不給予機(jī)械能量，卻能起到減少摩擦的作用。
奧斯特瓦爾德開(kāi)辟了作為現(xiàn)代化學(xué)技術(shù)標(biāo)志之一的催化劑在工業(yè)上利用的道路，為人工合成化肥鋪平了道路，沒(méi)有他的催化劑理論，他人以后也不會(huì)合成化肥。
哈柏功不可沒(méi)
從BASF公司的所在地路易港溯萊茵河而上，有一個(gè)地方叫卡爾斯魯厄，此處有一所著名的大學(xué)叫卡爾斯魯厄工程學(xué)院。該學(xué)院的化學(xué)教授弗里茨·哈柏，此時(shí)也因深受克魯克斯警告的影響，開(kāi)始致力于氨合成的研究工作。
1902年初，為了研究合成氨理論，哈柏去美國(guó)進(jìn)行科學(xué)考察，他專程參觀和訪問(wèn)了設(shè)在尼亞加拉的一座模仿自然界雷雨放電的生產(chǎn)固定氮的工廠。通過(guò)參觀，使他對(duì)固定氮為氮氧化物和氨的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。返回德國(guó)后，他便一頭鉆進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始了這一劃時(shí)代的研究工作。
1904年，維也納的兩位化工企業(yè)家——馬古利斯兄弟，意識(shí)到這項(xiàng)工作的偉大意義，慕名來(lái)到卡爾斯魯厄工程學(xué)院，正式與哈柏簽訂了研究氮?dú)湓睾铣砂钡暮贤�。從此，哈柏與其學(xué)生和助手全力以赴地投入了氨合成的試驗(yàn)研究。
哈柏研究氨的合成理論，是從可逆反應(yīng)的平衡條件方面入手的。哈柏認(rèn)為，僅有催化劑的知識(shí)是不夠的，需要有對(duì)化學(xué)反應(yīng)的新的理解——化學(xué)平衡理論，這個(gè)理論的核心就是：原料物質(zhì)一般不會(huì)全部成為生成物質(zhì)，同時(shí)，生成物質(zhì)也會(huì)發(fā)生逆反應(yīng)。在一定的反應(yīng)條件下，即濃度、溫度、壓力之下，這種正逆反應(yīng)是平衡的。
哈柏認(rèn)識(shí)到，若根據(jù)這種思想調(diào)整反應(yīng)條件，從前認(rèn)為不可能的氨合成也許是可能的。哈柏首先想到，也許高溫會(huì)進(jìn)行這個(gè)反應(yīng)。他按照他的思路開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是，結(jié)果卻出乎意料，當(dāng)溫度升高到1000℃時(shí)，氨的產(chǎn)量才不過(guò)是原料體積的0.012%，這還不如低溫度時(shí)的產(chǎn)量。但是，降低反應(yīng)溫度時(shí)，反應(yīng)卻又變得十分緩慢。哈柏認(rèn)為，為了使化學(xué)反應(yīng)加快，需要有適當(dāng)?shù)拇呋瘎?/p>
從1904年4月至1905年7月，這一年多時(shí)間里，雖然哈柏他們夜以繼日地堅(jiān)持在實(shí)驗(yàn)室里做著各種枯燥的試驗(yàn)，但幾乎每次試驗(yàn)的結(jié)果都令人失望。于是，馬古利斯兄弟見(jiàn)無(wú)利可圖，便取消了對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的資金支持，這樣，哈柏就陷入了極度窘迫的境地。
與此同時(shí)，在柏林大學(xué)研究化學(xué)平衡理論的瓦爾特·赫爾曼·能斯特教授，也已投入了合成氨理論的研究，他親自制造高壓釜，進(jìn)行高溫、高壓實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)哈柏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有問(wèn)題，數(shù)字過(guò)大，實(shí)際上僅 0.0032%。還要再小一個(gè)數(shù)量級(jí)，這就證明了哈柏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不可行的。
瓦爾特·赫爾曼·能斯特為了使它的研究能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化，請(qǐng)求某個(gè)有名的化學(xué)公司制造設(shè)備，雖然它的壓力并不算太高，但是，這個(gè)公司還是難以制出能耐住這樣高溫、高壓的設(shè)備，于是，他犯了一個(gè)極大的錯(cuò)誤，打消了實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的念頭，而埋頭于實(shí)驗(yàn)室研究。
哈柏雖然在計(jì)算上有錯(cuò)，但在與能斯特的這場(chǎng)爭(zhēng)論中，弄清了要使產(chǎn)量進(jìn)一步提高就要對(duì)原料氣——氮?dú)夂蜌錃馐┮愿邏�、降低溫度，并使用催化劑�?/p>
能斯特灰心了，哈柏卻沒(méi)有灰心，他從瓦爾特·赫爾曼·能斯特終止的地方開(kāi)始了新的實(shí)驗(yàn)。此時(shí)，他不僅已熟悉這個(gè)實(shí)驗(yàn)的理論，而且具備了成功的基礎(chǔ)。
哈柏等人在化學(xué)平衡理論的指導(dǎo)下，開(kāi)始一點(diǎn)一點(diǎn)地、耐心地進(jìn)行試驗(yàn)，他們實(shí)驗(yàn)在什么樣的壓力和溫度下能達(dá)到百分之幾。他們還下大力氣尋找最佳的催化劑，曾把能夠經(jīng)受數(shù)百個(gè)大氣壓的反應(yīng)容器鑲嵌在槍彈殼里，用阿烏埃爾社團(tuán)的瓦斯燈公司提供的鉑、鎢、鈾等稀有金屬，竭力尋找新的催化劑。
哈柏就是在這樣的困境下，冒著高溫、高壓的危險(xiǎn)繼續(xù)試驗(yàn)。正當(dāng)哈柏的試驗(yàn)研究屢遭失敗而一籌莫展的關(guān)鍵時(shí)候，法國(guó)科學(xué)院院刊上報(bào)道了法國(guó)化學(xué)家采用高溫、高壓合成氨，而使反應(yīng)器發(fā)生爆炸事故的消息。哈柏知道后深受啟發(fā)，他果斷地改變了試驗(yàn)條件，特別是提高了反應(yīng)壓力，并改進(jìn)了工藝，終于取得了令人振奮的進(jìn)展，合成氨的產(chǎn)量顯著增加了。
1907年，哈柏等人選擇鋨或鈾為催化劑，在約550℃和 150至250個(gè)大氣壓的不尋常的高壓條件下，成功地得到了8.25%的氨，第一次成功地制取了0.1公斤的合成氨，從而使合成氨有可能邁出實(shí)驗(yàn)室階段。這無(wú)疑是一個(gè)具有實(shí)用價(jià)值的突破。而在此時(shí)，能斯特以50個(gè)大氣壓、685℃，以鉑粉或細(xì)鐵粉、錳做催化劑，卻只取得了產(chǎn)量為0.96%的氨。哈柏的實(shí)驗(yàn)比能斯特的實(shí)驗(yàn)幾乎高出8倍。
這一勝利極大的鼓舞了哈柏和他的助手們，他們預(yù)感到合成氨的試驗(yàn)研究已進(jìn)入了實(shí)用化階段。于是，又加緊對(duì)高溫、高壓合成氨工藝的研究。經(jīng)過(guò)艱苦卓絕的的試驗(yàn)研究，他們?nèi)〉昧艘幌盗械谝皇值膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大大加快了試驗(yàn)研究的步伐，不斷取得令人振奮的新進(jìn)展。
哈柏的科研成果極大地震動(dòng)了歐洲化學(xué)界，化工實(shí)業(yè)界人士紛紛購(gòu)買他的合成氨專利，獨(dú)具慧眼的德國(guó)巴登苯胺純堿公司捷足先登，搶先付給哈柏2500美元預(yù)訂費(fèi)，并答應(yīng)購(gòu)買以后的全部研究成果。但公司中很多工程師，對(duì)鋼制反應(yīng)容器的赤熱程度表示不安，對(duì)如此高壓更感吃驚，因而對(duì)它的工業(yè)化持有懷疑。他們想起法國(guó)所發(fā)生的反應(yīng)器爆炸的消息，擔(dān)憂地說(shuō)：
“昨天爆炸的高壓釜只有 7個(gè)大氣壓�！毖酝庵�，哈柏的高壓實(shí)驗(yàn)條件也可能引起爆炸。
1909年，哈柏又提出了“循環(huán)”的新概念。所謂“循環(huán)”，就是讓沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氮?dú)夂蜌錃庵匦路祷氐椒磻?yīng)器中去，把已反應(yīng)的氨通過(guò)冷凝分離出來(lái)，這樣，周而復(fù)始，以提高合成氨的獲得率，使流程實(shí)用化。這一概念的提出，可以說(shuō)是合成氨邁向工業(yè)化進(jìn)程中具有決定性意義的重大突破。德國(guó)政府極為重視，立即接受和采用了這個(gè)新設(shè)想。
當(dāng)年7月2日，哈柏在實(shí)驗(yàn)室制成了一座小型的合成氨裝置模型，這是世界上第一個(gè)氨合成裝置的模型。博施同他的部下米塔希一起，作為巴登苯胺純堿公司的代表，前來(lái)接收哈柏的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和裝置。哈柏當(dāng)場(chǎng)演示了他的合成氨裝置，這種裝置魔術(shù)般地以每小時(shí)0.08公斤的速度合成著氨。博施親眼看到了液氨滴落的情況。前來(lái)觀看的專家們共同認(rèn)為，用不了多長(zhǎng)時(shí)間，它將成為日產(chǎn)幾噸的設(shè)備，從而清楚地預(yù)見(jiàn)了它的工業(yè)化的前景。
巴登苯胺純堿公司立即買下了哈柏合成氨的專利權(quán)，并將其全部研究成果接收下來(lái)，雙方還簽訂了協(xié)議，其要點(diǎn)是：
“不管生產(chǎn)工藝如何改進(jìn)，合成氨的售價(jià)如何下降，巴登苯胺純堿公司每售出 1噸氨，哈柏分享10馬克，其收入永不改變�！�
1919年，瑞典科學(xué)院考慮到哈柏發(fā)明的合成氨已在經(jīng)濟(jì)中顯示出巨大的作用，經(jīng)過(guò)慎重考慮，正式?jīng)Q定為哈柏頒發(fā)1918年度的世界科學(xué)最高的榮譽(yù)和獎(jiǎng)勵(lì)——諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他在合成氨研究方面的卓越貢獻(xiàn)，從此，他躋身于世界著名化學(xué)家的行列。
實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)
1908年，在巴登苯胺純堿公司工作的博施，已從一個(gè)無(wú)名之輩，躋身于世界著名化學(xué)家行列。當(dāng)時(shí)，他正從事氮固定法工業(yè)化的研究。當(dāng)他得到哈柏氨合成成功的消息后，就在巴登苯胺純堿公司的大力支持下，開(kāi)始把哈柏氨合成法發(fā)展為工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的工作。
此時(shí)，擺在博施面前主要有兩項(xiàng)工作：一項(xiàng)是制造能經(jīng)受住100至200個(gè)大氣壓和500 ℃左右高溫的反應(yīng)容器；另一個(gè)問(wèn)題是找到適于大量生產(chǎn)的催化劑，因?yàn)殇~和鈾是稀有金屬，尤其是它在500 ℃左右時(shí)變成氣體狀態(tài)，容器也許會(huì)爆炸，不適于工業(yè)化生產(chǎn)。
制造反應(yīng)容器的工作是由博施本人承擔(dān)的，他領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室里有上千人的龐大科研隊(duì)伍，他原來(lái)又是一位金屬學(xué)專家，所以，他滿懷信心。尋找催化劑的任務(wù)，是由米塔希承擔(dān)的，他是奧斯特瓦爾德的得意學(xué)生，加上BASF公司具有在工業(yè)上利用催化劑的豐富經(jīng)驗(yàn)，早年從萘制造合成染料靛藍(lán)的原料時(shí)，曾使用過(guò)水銀催化劑。另外，該公司高純度的硫酸也是用鉑催化劑制造的。由于有這樣一些優(yōu)勢(shì)，在博施和米塔希的前面，合成氨的工業(yè)化變得十分可能了。
這時(shí)，博施遇到的困難是制造耐高壓反應(yīng)塔的進(jìn)展緩慢，若是實(shí)驗(yàn)室用的小型的反應(yīng)器還比較容易，一旦制成工業(yè)用的大型反應(yīng)塔，鋼壁雖然厚達(dá) 3厘米，但也僅僅使用3天就破裂了。
博施查看了破片后大為吃驚，他發(fā)現(xiàn)：由于在100至200個(gè)大氣壓下，氫氣滲進(jìn)鋼里同其中的碳化物反應(yīng)，生成了甲烷氣而減弱了鋼的內(nèi)部組織，因而發(fā)生了破裂。博施現(xiàn)在更加驚嘆高壓的可怕了。
為了防止這一現(xiàn)象，就應(yīng)改良反應(yīng)塔內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)，使高壓氫氣在那里緩和下來(lái)，找出使它不能滲入鋼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的辦法。首先，博施在內(nèi)壁襯上銅、青銅、純銀等各種金屬進(jìn)行試驗(yàn)，但立即就變成破破爛爛了，他提議用“熟鐵”襯在里面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也沒(méi)有獲得成功。研制工人陷入了僵局。
1911年 2月的某一個(gè)晚上，博施在俱樂(lè)部里一邊喝酒一邊思考著解決的辦法。因?yàn)槭扈F是軟的，由于高壓的作用而使它緊貼在內(nèi)壁上，就像通過(guò)口罩的氫氣仍會(huì)使反應(yīng)塔的強(qiáng)度削弱，怎樣解決這個(gè)問(wèn)題呢？在去往工廠的晚上，他突然領(lǐng)悟到一個(gè)好的辦法：在反應(yīng)塔的壁上鉆出許多小孔，讓透過(guò)熟鐵而進(jìn)來(lái)的氫氣跑掉。為此，反應(yīng)塔制成雙層結(jié)構(gòu)就可以了。
熟鐵襯里和鋼壁上開(kāi)許多小孔，這是個(gè)很好的主意，這樣，從前人們難以處理的耐高溫、高壓的反應(yīng)塔——雙層反應(yīng)塔終于誕生了。這個(gè)反應(yīng)塔，用雙壁管代替了哈柏的單壁反應(yīng)器，就是一個(gè)管子套在另一個(gè)管子里面，外管用普通鋼制成，內(nèi)管用合金鋼制成。博施通過(guò)用合金鋼代替碳鋼解決了高溫、高壓下鋼材脆裂的問(wèn)題，也解決了反應(yīng)室不能經(jīng)受這么高的壓力的難題，避免了爆炸事故的發(fā)生。
“氨合成的整個(gè)發(fā)展，很大程度上是依靠這個(gè)簡(jiǎn)單的解決辦法�！边@是博施在20年后獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的受獎(jiǎng)演說(shuō)所說(shuō)的。至此，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的障礙已經(jīng)全部排除了。
接著，博施又進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，尋找適合既經(jīng)濟(jì)又不對(duì)氣體雜質(zhì)的作用過(guò)于敏感的催化劑。此時(shí)，他的助手米塔希也進(jìn)行了大量試驗(yàn)。米塔希認(rèn)為工業(yè)用的催化劑就是鐵，為此，他試驗(yàn)了各個(gè)地方的鐵。他用比銀的價(jià)錢還要貴的純鐵，搞成各種各樣的混合物，一個(gè)一個(gè)地試驗(yàn)下去。人們有時(shí)看到，在他的實(shí)驗(yàn)室里，排列著25至30個(gè)可以自由取出和裝進(jìn)催化劑和高約503厘米的實(shí)驗(yàn)用高壓釜。在不到半年的時(shí)間里，即到1910年 1月初，米塔希和博施發(fā)現(xiàn)，在天然磁鐵礦中摻入少量堿金屬和其他金屬就能得到優(yōu)良的催化劑。后來(lái)，他們又發(fā)現(xiàn)了氧化劑與少量的氧化鋁混合物更為優(yōu)良。1913年，經(jīng)過(guò) 2萬(wàn)次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，博施和米塔希終于成功地改進(jìn)了哈柏的高壓合成氨的裝置和催化方法。為此，他們對(duì)2500種樣品進(jìn)行了6500次試驗(yàn)。
在博施和米塔希尋找催化劑的同時(shí)，1911年，巴登苯胺純堿公司正式開(kāi)始在路易港郊外奧帕烏建造世界上第一座合成氨工廠。到1913年 9月，博施終于建成了整個(gè)工廠，包括從制造煤氣發(fā)生爐起直到從壓縮機(jī)出來(lái)的成品的裝運(yùn)設(shè)備的連續(xù)裝置。曾在哈柏實(shí)驗(yàn)室里看起來(lái)像玩具的反應(yīng)塔，此時(shí)已成為高達(dá)8米、甚至12米的雙層反應(yīng)塔。
1913年9月9日，巴登米胺純堿公司建成的第一個(gè)合成氨工作開(kāi)始投入生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了合成氨工業(yè)化的生產(chǎn)，獲得了年產(chǎn) 3.6萬(wàn)噸硫酸銨的成果。人工合成的硫酸銨被運(yùn)往期待收獲的農(nóng)村里，從而促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。由于哈柏的合成氨理論，以及博施把哈柏氨合成法發(fā)展成工業(yè)化，因此，后來(lái)把該種氨生產(chǎn)法稱為“哈柏?博施”法。
化肥的今天
“哈柏--博施”法是劃時(shí)代的工業(yè)供氮方法，它開(kāi)辟了人類直接利用游離狀態(tài)氮的途徑，也開(kāi)創(chuàng)了高壓合成氨的化學(xué)方法，它的意義已不僅僅是使大氣中氨變成了生產(chǎn)化肥“取之不盡、用之不竭”的廉價(jià)來(lái)源，而且使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了根本的變革。同時(shí)，也大大推動(dòng)了與之有關(guān)的科學(xué)、技術(shù)的發(fā)展。例如：1923年，在100至200個(gè)大氣壓條件下甲醇的合成；1926年，在 100個(gè)大氣壓條件下的人造石油；1937年，在1400個(gè)大氣壓條件下的高壓聚乙烯生產(chǎn)等等，無(wú)不與合成氨理論的發(fā)展有關(guān)。從這點(diǎn)說(shuō)，哈柏開(kāi)創(chuàng)了化學(xué)的新時(shí)代。
1913年，德國(guó)第一個(gè)合成氨裝置建立后，為今天的固氮工業(yè)和氮肥工業(yè)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，合成氨以驚人的速度向前發(fā)展，它給全人類帶來(lái)的巨大福利是無(wú)與倫比的，正如锎元素的發(fā)展者、諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主G.T.西博格在紀(jì)念美國(guó)化學(xué)會(huì)成立100周年大會(huì)上的演講中所指出的那樣：
“無(wú)論過(guò)去、現(xiàn)在和可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，再也不可能找到任何一門其他工業(yè)，比化肥工業(yè)更直接關(guān)系到國(guó)計(jì)民生了……。無(wú)論從經(jīng)濟(jì)的發(fā)展還是人類的進(jìn)步而言，合成氨的發(fā)明都是本世紀(jì)科學(xué)領(lǐng)域中最輝煌的成就之一�！�
直到現(xiàn)在，世界各國(guó)的氮肥工業(yè)在基本原理上還沿用這種方法。氨的合成開(kāi)創(chuàng)了人類科學(xué)史的重要篇章。當(dāng)前，世界上 90%以上的氮肥是由合成氨加工成的。許多國(guó)家都大量生產(chǎn)合成氮肥，使糧食成倍增產(chǎn)，對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起了很大的作用。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的面貌已發(fā)生了重要變化，大大促進(jìn)了糧食增產(chǎn)。以日本為例，1950年的化肥用量為每畝50公斤，糧食單產(chǎn)是190公斤；1970年化肥用量為每畝135公斤，糧食單產(chǎn)提高到340公斤；1976年化肥用量是155公斤，單產(chǎn)也相應(yīng)提高到 365公斤�；蕦�(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的作用，由此可見(jiàn)一斑。
當(dāng)然，人類所使用的化肥并不是仍然停留在原有的水平上。目前，化肥的發(fā)展已有固體、液體之分。在固體氮肥中，尿素和硝銨的比重不斷增大。液體氮肥包括液氨、氨水、氮溶液以及液體混合肥料等等。除了氮肥以外，還有磷肥和鉀肥。從發(fā)展趨勢(shì)看，化學(xué)肥料的生產(chǎn)和施用，主要是提高肥料濃度，發(fā)展二元、三元復(fù)合肥料或液化肥料，并采用顆粒肥料和深層施肥法。雖然有機(jī)肥料不可忽視，但是，現(xiàn)在化學(xué)肥料仍在增產(chǎn)中占有重要地位。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食組織統(tǒng)計(jì)， 1公斤化肥一般增產(chǎn)籽粒和莖稈各10公斤。所以，年近來(lái)，化肥的生產(chǎn)和研究水平不斷提高，主要表現(xiàn)在：高濃度化肥逐漸代替低濃度化肥，歐美和日本生產(chǎn)的一種超高濃度肥料，含有效成分達(dá) 94%以上；復(fù)合肥料、混合肥料迅猛發(fā)展，目前除含銅等微量元素的新復(fù)合肥料之外，有的廠家生產(chǎn)的有效成份在40%以上；液體肥料和長(zhǎng)效肥料逐年增加，這種肥料優(yōu)點(diǎn)突出，效果良好；微量元素肥料越來(lái)越占顯著地位�；钚杂袡C(jī)肥問(wèn)世，生產(chǎn)無(wú)公害、無(wú)污染綠色食品，對(duì)人類是極為重要的貢獻(xiàn)。除此之外，生物固氮的研究正在大力開(kāi)展之中，不久將會(huì)給肥料的制造和使用帶來(lái)革命性的大變化。
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