科學逸聞|人口爆炸的起爆劑:拯救人類的合成氨工業

編者按：賽先生奔向近代的腳步匆匆，留下曲折離奇的時代印跡。在科學演進史裡，蠻荒粗鄙與異想天開結伴同行，它們令卑微之人更加卑微，令傳奇故事愈發傳奇。

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作者|張大衛，網易歷史專欄作者，工業時代陸戰史研究者，曾著有《哈爾科夫1942》。本文為網易歷史頻道獨家稿件，謝絕轉載。

20世紀對人類影響最大的發明是什麼？是飛機的發明，還是核能的利用，還是電子科技的發展，亦或者是計算機科學的興起？但從人類作為一個族群繁衍的角度來說，最為重要的恰恰是常被忽視的合成氨技術。如果離開微軟，電視，核反應堆，太空梭，人類還是會一樣發展繁衍下去，但離開了合成氨技術，全球總人口很難在經歷了兩次世界大戰等一系列動蕩後仍舊一路從1900年的16億增加到現在的七十餘億。那麼，合成氨技術是什麼呢？它是怎麼開發出來的呢？背後又有著什麼有趣的故事？

氮荒

我們每天都要攝入大量蛋白質來維持我們生命的正常活動，這些蛋白質絕大部分來自農作物或者以農作物飼養的各種家畜。而集約化農業的產量幾乎全部受限於從哪裡獲得足夠多的氮肥來為農作物提供氮元素。在工業革命之前，全世界各地的農民都採用不同的積農家肥的方式來自製氮肥：在我國，農民積極四處搜集人畜排洩物來積肥。十九世紀的巴黎每年搜集超過一百萬噸馬糞來給城市四處的花園施肥，美國西部的大量野牛骨被送到美國東部的工廠磨成肥料，更誇張的是，德國化學家李比希聲稱英國盜墓賊每年從歐洲大陸挖出350萬具骷髏磨成粉末送回英國當肥料！

在19世紀中期，歐洲人盯上了智利和秘魯太平洋島嶼上積攢上千年的鳥糞，將這些鳥糞送去作為肥料。隨著化學工業的興起及現代炸藥（TNT，硝酸甘油，硝酸纖維素）的出現，硝酸鹽的消耗量也越來越大。到了19世紀末年，歐洲化學界一致認為很快天然含氮化合物就會變得遠遠供不應求。化學家設法從焦炭中提取出一些氨氣來彌補這一缺口，但仍舊於事無補。

在19,20世紀之交時，擁有大量硝酸鹽礦的智利供應了全球超過三分之二的礦物質肥料。但這些硝酸鹽礦藏隨著不斷加速的開採而減少，使得硝酸鹽價格不斷抬升。對硝酸鹽價格不斷抬升最為叫苦不迭的當數德國人：德國缺乏海外殖民地，人口眾多且土地貧瘠，農業急需大量氮肥，同時德國的化學工業也需要大量硝酸鹽原料。在1900年德國從智利進口了350000噸硝酸鹽，12年後的1912年，德國進口了900000噸硝酸鹽。

自然，為了維繫自身的糧食安全和原料安全，德國化學家積極開展了一系列合成化肥的辦法。1895年，阿道夫·弗蘭克和尼克德姆·卡羅兩人開發出了將碳化鈣（電石）同氮氣在一千攝氏度高溫下反應，製備氰氨化鈣的方法，並在10年後投入工業化。到了1918年，已經有35座利用弗蘭克——卡羅法生產氰氨化鈣的工廠，年產325000噸。

法國化學家勒夏特列也試圖開發以空氣中的氮氣為原料來合成氨的工藝（此君最著名的貢獻就是化學平衡移動原理，這一原理及衍生出的一系列考題是眾多理科生高中的噩夢），他試圖通過增加反應器壓力來合成氨，但隨著他的一名助手在實驗過程中由於反應器爆炸被炸上了天，他也不得不灰頭土臉地結束了自己的這一研究。

美國化學家布萊德利試圖通過電弧放電的方式來製造硝酸，並從1902年起開辦了一家工廠利用這一方案來製備硝酸。不過由於耗電量太大導致成本過高，這家工廠在1904年倒閉。而同期挪威化學家別爾柯蘭德開發的用電弧放電促進空氣和氧氣反應的方法製造氮氧化物的方法儘管投入了使用，但也耗電量極大，顯然，工業界需要更為可靠的方式來固定空氣中的氮氣，將其轉化為含氮化合物。而隨著之前無數次失敗的嘗試，化學界開始懷疑起了合成氨的可行性

哈伯的突破

為這一領域帶來革命性突破的人正是弗裡茨·哈伯，他於1868年12月9日出生在普魯士西裡西亞省的布雷斯勞。在他三歲那年德意志帝國建立，他的童年和青年時期見證了德國經濟和國力的飛速發展，以及隨之帶來的德國科學實力的全面騰飛，其中德國化學家對現代化學的建立——無論是無機化學，有機化學還是物理化學都做出了極大的貢獻。哈伯也加入了這一大潮中，在高中畢業後加入了柏林大學並師從有機化學大師霍夫曼，並在23歲那年從弗裡德裡希·威廉大學獲得了博士學位（作為對比，現代大多數化學博士都是在28歲前後獲得這一學位），隨後他在卡爾斯魯厄技術大學展開了獨立的科研工作並在1906年成為物理化學教授。

在1904年夏天，哈伯從奧地利化學公司那裡接到了一份請求，該公司希望哈伯能嘗試一下合成氨技術並且願意為哈伯的這一研究提供慷慨的經濟支持，哈伯隨之展開了這一研究工作，正如他在諾貝爾獎演說時總結的那樣：

「我們關注的是最簡單的化學過程——氮氣和氫氣化合生成氨氣，這三種物資在一百年前就被化學家所熟知，並在上個世紀（19世紀）隨著化學的不斷發展得到了充分的研究」儘管化學界由於之前的一系列挫敗一度認為這一反應不可能，但哈伯並沒有被嚇倒。他從之前拉姆塞所發現的氨氣在800度條件下分解研究起，認為「從這一不確定性出發，我們或許可以摸出直接合成氨的方法」

然而人永遠無法預料自己的命運。哈伯怎麼想也想不到由於他和化學家能斯特在科研上的競爭使得自己又重新在三年後的1907年撿起了合成氨的研究。此時的能斯特已經功成名就，早在1894年就成為了哥廷根大學的教授。1906年，能斯特研究化學平衡理論時使用銥催化劑試圖重複哈伯的實驗，發現這一反應的氨產率接近能斯特給出的理論預測值，卻只有哈伯 當時收率的四分之一。能斯特寫信給了哈伯詢問這一情況，哈伯再次重複了自己1904年的實驗，發現收率仍舊比哈伯的高，且和能斯特理論預測值極為接近，並且修正了1904年實驗發表的數據。

被激怒的能斯特直接在1907年德國化學會的年會上炮轟哈伯之前發表的「數據嚴重失準」，需要撤回，並聲稱哈伯「四處吹噓合成氨可行性很高，實際上很難完成」。

但哈伯並沒有被徹底擊垮，而是帶著助手羅西尼奧勒一起進一步篩選起了實驗條件，經過一番實驗與計算，他們決定在20兆帕的壓力下進行反應，並將溫度控制在600度左右，發現理論上可以將合成氨的轉化率提升到8%。這一系列研究以及哈伯同時開展的氮氧化物轉化的相關引起了德國最大的化工企業——巴斯夫的興趣，並獲得了巴斯夫的相關投資。

在獲得進一步研究的資金後，哈伯和羅西尼奧勒兩人利用大學暑假的時間，自己動手設法搭起了一臺高溫高壓催化的反應器——羅西尼奧勒心靈手巧，熟悉各種閥門的製作技術，在這一過程中起到了關鍵作用。兩人隨後在1908年10月13日將這一反應器註冊了相關專利，並且展開了一系列催化劑篩選。哈伯選擇了鋨作為催化劑，在1909年春天註冊專利後向巴斯夫公司進行了一番匯報。

在聽到哈伯的反應是在100個大氣壓的高壓下進行時，巴斯夫實驗部門的領導者伯恩特森幾乎驚掉了下巴「100個大氣壓！昨天我們一個只有7個大氣壓壓力的壓熱器都因為壓力過大炸上天了！」巴斯夫固氮研發部門的負責人博施卻堅信「這是完全可以的，我相信鋼鐵工業可以提供耐高壓的設備，這個險值得冒一下」

同飛機的誕生，電子計算機的發明等科學發現類似，合成氨研究的決定性突破也是可以追溯到具體日期的。巴斯夫公司的檔案館現在仍留存著1909年7月3日哈伯致巴斯夫公司的信件「昨天我們開始了氨的大量合成，反應不間斷地持續了5個小時，反應設備運行良好，可重複性極佳……，合成出的氨氣以每分鐘兩立方釐米的速度源源不斷從裝置出口釋放而出」在場的眾人擊掌歡慶這一歷史性時刻的到來！

合成氨工業的誕生與人口爆炸

卡爾•博施

哈伯實驗室合成氨的方法取得了無可爭議的成功，他。也因此獲得了1918年的諾貝爾化學獎。而卡爾·博施則在隨後將這一實驗室級別的反應擴大到工業上大量生產上發揮了決定性作用。正是博施克服了一系列工業上的難題，開發出了全套的高壓大規模反應設備，將哈伯實驗室裡面那個75釐米高的反應管放大成了路德維希港合成氨工廠8米高的反應塔，並且在1913年實現了每小時生產200公斤的產能，從而完成了合成氨的工業化生產，而博施則因此在1931年獲得了諾貝爾化學獎。很快，在德國政府的資助下，巴斯夫公司的合成氨工業迅速發展了起來。到了1918年，德國有超過一半的含氮化合物都依賴於合成氨工業來生產！

隨著合成氨工業的不斷發展，越來越多的氮肥通過這一方式被生產出來，在1931年全世界有50%的氮肥是經過合成氨被合成出來的，到了20世紀末這一比例就超過了99%。現在每年有4.5億噸氮肥被製造出來，而全球氮肥的消耗量也從1949年的363萬噸氮上升到了20世紀末的8000萬噸氮！

正是這些合成氨工業生產出的氮肥徹底改變了人類農業的格局。它們提供了農作物所需的六成到八成的營養。毫不誇張地說，離開哈伯-博施法合成出的氨，今日世界農作物將減少一半。，而農業可以養活的人口數量也會至少減少40%！

德意志工業的地標：哈伯合成氨催化塔

合成氨工業二戰後在全世界範圍內的普及更是造就了嚴重依賴合成氮肥的第三世界國家農業體系，並且隨之帶來了這些國家的農業增產和人口爆炸。正如因開發高產量小麥，「給飢餓人口帶來麵包」而獲得1970年諾貝爾和平獎的美國農學家諾曼·博洛格在獲獎演說中指出「化學肥料是驅動綠色革命的肥料，這些新品種的穀物可以耐得住更大添加量的化肥並更有效地利用化肥中的養分，傳統穀物可以將加入的一公斤化肥轉化為十公斤收成，而這些新品種則可以轉化出20-25公斤的收成」。根據2000年前後的一項測算，合成氮肥帶來的集約化農業體系使得這些國家相比傳統的農業體系多養活了23億人口！

參考文獻：

Smil, Vaclav (2004). Enriching theEarth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food ProductionCambridge, MA: MIT

Smil, Vaclav (1999). "Detonator of thepopulation explosion". Nature. 400: 415.  doi:10.1038/22672.

Hager, Thomas(2008). The Alchemy of Air: A Jewish genius, a doomed tycoon, and thescientific discovery that fed the world but fueled the rise of Hitler(1st ed.).New York, NY: Harmony Books

本文來源：網易歷史 責任編輯：吳京昴_NN9381