哈伯與合成氨工業

摘要：合成氨是地球上最重要的化學反應之一，曾二次獲得諾貝爾化學獎。從20世紀初，隨著農業發展和軍工生產的需要，氨作為一種制造化肥和擁有眾多工業用途的基本化工原料，人們先后開發并實現了氨的工業化生產。本文就合成氨工業的發明者及幾個重要階段進行描述，并對合成氨工業未來的走向進行預測。

關鍵詞：合成氨工業；哈伯；合成原料；諾貝爾化學獎

中圖分類號：G633.8 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）46-0156-02

一、引言

20世紀初，為了使得作為肥料和炸藥核心成分的含氮化合物能取之不盡，用之不竭，化學家們必須找到一條大規模從大氣中固化氮實用的方法。經過約一個世紀的發展，合成氨體系已基本成熟，合成氨法已被應用到絕大多數化工領域。那么在這期間有哪些人、哪些事對該工業的發展起了舉足輕重的影響呢？

二、合成氨工業發展的幾個重要階段

1.合成氨方法的發展。利用氮氣與氫氣直接反應來得到氨氣，從而從空氣中直接固化氮氣曾是一個很難的課題，人類大約花了150年才解決這一重大難題。其中主要是德國物理化學家F·哈伯（Fritz Haber，1868—1934）的貢獻。他采用將氮氣與氫氣直接混合（反應條件：壓力17.5Mpa到20Mpa；反應溫度500℃到600℃），關鍵是選用貴金屬鋨作為催化劑，順利得到了6%到8%的氨，首次實現了氮氣的直接固化。但是，在哈伯采用的這個反應要求具備高壓、高溫及貴金屬催化劑的條件，而且鋨很容易催化劑中毒；另外每次通過反應器的氮氫混合氣轉化為氨的轉化產率很低。所以很難實現工業化生產，只能做到幾十克級別的反應裝置。為了滿足當時迫切的工業化需要，哈伯和工程師C·博施（Carl Bosch，1874—1940）一起，對實驗進行改進。主要進行三方面的改進：①鐵觸媒催化劑的使用。由于金屬鋨價格十分昂貴，而且反應過程容易發生催化劑中毒，從1912年開始，分別合成了2500種不同的催化劑并對每個催化劑的催化效果進行了6500次的篩選試驗，最終得到一種含有鉀和鋁氧化物作輔助催化劑的鐵觸媒催化劑。②循環反應法的使用。將反應過程中未參與反應的氣體重新輸送回反應器，提高反應的轉化率，這一方法后來被德國巴登苯胺純堿公司所采用。③反應容器材料的改進，解決了氣體對鋼材的腐蝕等難題。問題解決之后，巴登苯胺純堿公司就在德國奧堡建成世界上第一座日產30噸合成氨的裝置。后來人們為了紀念哈伯和博施為合成氨所做的努力，就把這種合成氨的方法稱為哈伯-博施法。由于合成氨工業的重要性，諾貝爾化學獎兩次頒給了從事該反應的化學家，分別是1918年的哈伯和1931年的博施，使之成為為數極少的多次獲諾貝爾獎化學獎的有機反應。之后其他國家的科學家們在哈伯-博施法的基礎上對合成氨工業進行進一步的改進，完善了合成氨的大化工生產。

2.生產原料及生產裝置的改進：自從合成氨工業化后，生產原料也隨著工業化的推進不斷改變，生產合成氨的原料從最初的第一次世界大戰結束時的焦炭、煤等固體燃料逐步轉向更加高效的天然氣、石油等氣、液態燃料；生產裝置也隨著大化工和高效率的需要逐步大型化，更加符合可持續發展的要求，并顯示出大型裝置投資成本相對少、占地集中和大工業生產率高等優點。

3.合成氨工業未來的走向。①催化劑的走向。目前合成氨工業所采用的催化劑已具備了高效、穩定的特性，但是催化劑的抗毒性一直以來都是有待解決的重要問題。所謂催化劑中毒，是指催化劑由于接觸少量的雜質而使催化活性明顯下降甚至被破壞的現象。催化劑一旦中毒，會使其催化效率大打折扣，于是工業上為了防止催化劑中毒，就要把反應物原料加以凈化，這樣就要增加設備，提高成本。因此，研制具有較強抗毒能力的新型催化劑，近年來一直是一個重要的研究課題。②合成氨方法的走向。在傳統的合成氨法中能耗是相當大的，因此需要尋找低能耗的方法。隨著生物技術的高速發展，人們發現了一個新的“生物固氮”方法。“生物固氮”具有能耗低、效率高、產量大的優點，是極其理想的固氮方法。目前，化學模擬生物固氮已成為21世紀科研人員的重要研究課題之一，其核心研究是固氮酶活性中心結構。這個方法一旦研發成功，毫無疑問，對世界整個化工體系的發展將具有里程碑式的意義。但是目前這個工作中遇到的一個主要困難是，N2能夠被絡合但基本上沒有被活化或者是活化率極低。因此迫切需要我們從理論上深入研究，找尋突破的途徑。③合成氨與環境保護。合成氨工業給人類社會帶來了快速發展，但是，對環境的破壞力也是榜上有名的。合成過程中產生的廢水、廢氣的不合理排放，造成了嚴重的環境污染問題。因此，開發新的環保原料、設計新的環保流程都是亟待解決的問題，也是未來合成氨工業的走向之一。綜上所述，合成氨工業未來將向著高效、節能、環保、學科交叉、催化劑抗毒等方面發展。

三、哈伯——諾貝爾獎的爭議獲得者

合成氨的發明者弗里茨·哈伯是20世紀初世界聞名的德國物理化學家，給人留下了關于他功過是非的激烈爭論：贊揚他的人說他是上帝派來的天使，而詛咒他的人說他是十惡不赦的魔鬼。是什么功過是非讓世人對哈伯的評價如此截然不同呢？且看這位化學家一生所走過的輝煌而又坎坷的道路。

1.哈伯于1868年12月9日出生在德國西里西亞布雷斯勞，他先后在柏林、海德堡和蘇黎世求學，是一個化學方面的天才，他23歲時就被德國皇家工業科學院破格授予化學博士學位。之后就從事合成氨工業，并在高溫高壓的條件下，以氫氣和氮氣為起始原料，用金屬鋨作催化劑，成功合成了產率為6%到8%的氨，隨后在博施的幫助下，建成了一座日產30噸合成氨工廠，氨水作為植物生長必須的氮肥，它的使用大大增加了糧食的產量，成為解救世界糧食危機的科學天使。

2.然而，在第一次世界大戰中，由于受民族沙文主義的巨大影響，哈伯卷入了戰爭并制造了大量的化學武器，對盟軍造成了巨大的傷害：有9萬人直接死亡，一百多萬幸存者中約有大半因傷殘離開軍隊，并造成終生殘疾，在歷史上留下慘痛的一頁。1915年4月21日夜間，擔任德國施行毒氣戰的科學負責人的哈伯親臨比利時伊普雷前線，指揮德軍秘密安放數以千計的氯氣罐。造成英法聯軍約1.5萬人中毒，其中5千人死亡。同年12月9日，德軍又在伊普雷戰場使用哈伯新研制出的毒氣——芥子氣。10天內使英軍1.4萬人中毒。哈伯也因此由曾經的科學天使變成戰爭魔鬼。他的妻子克拉克曾竭力勸阻哈伯，可惜毫無效果。交戰中使用毒氣進行化學戰，在歐洲各國遭到人民的一致譴責，1917年，哈伯由于害怕，辭去在軍隊的所有職務，并逃到鄉下躲藏了半年。

3.1918年，瑞典皇家科學院因為哈伯在合成氨工業上的杰出貢獻，因而決定授予他諾貝爾化學獎。但是此舉引起全世界科學界的一片嘩然。大多數的民眾在心理上無法接受戰爭的罪人接受如此的榮譽。但是獲獎后的哈伯卻表現得非常平靜，他希望通過實際行動來消除大眾的不滿同時來回報大家。他把全部精力都投入到科學研究中去了，并在物理化學和電化學研究中取得了不俗的成績，從而又使他的威望日益增高。然而另人啼笑皆非的是，身為猶太人的哈伯雖然是偉大的科學家，但在1933年希特勒上臺后也和其他猶太人一樣遭到了殘酷的迫害。后來無奈接受劍橋大學的邀請，以訪問學者的身份逃亡英國，并在卡文迪許實驗室從事科研和反法西斯工作。1934年在瑞士逝世，客死他鄉，終年66歲。難怪哈伯感慨：我知道化學反應的結局，唯獨不知道自己的結局。到底是因為有我，歷史才如此，還是因為歷史如此，才有我的故事？若地下有知，哈伯還會為當年的錯誤而懊悔嗎？也許，他會看淡民族間的爭斗，在離子分子間自得其樂吧。

參考文獻：

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