有機與化肥之旅

江玉安

科學西游記的第19站，我們從海德堡北行至達姆斯塔特市，再經過法蘭克福到吉森，最后越過德國國境進入波蘭的弗羅茨瓦夫（弗羅茨瓦夫在第二次世界大戰前是德國的城市，城市名為布雷斯勞），來一次“有機”與“化肥”之旅，并拜訪化學家李比希、維勒、哈伯和波施。

化學的前身是煉金和制藥，煉金術士主要進行礦物的熔煉，一心想制出黃金；醫藥家主要研究草藥，一心想找出包治百病的良方。瑞典化學家貝采尼烏斯最早提出有機化學的概念。“機”就是生命體的意思。那時，大部分化學家明白有機化學與無機化學的區別。顯然煉金研究無機物。本草就是有機物。當時的認識是，有生命的物質具有獨特的生命力，只有生命體才能合成和轉化有機物。

1828年，弗里德里希·維勒破除了所謂的“生命力論”，用無機物氰酸銨合成了有機化合物尿素，他興奮地給他的老師貝采尼烏斯寫信說：“我告訴您。我已經能夠制造出尿素，而且不求助于人或動物的腎。”同年，維勒發表《論尿素的人工合成》，為有機化學發展成為一門獨立的學科奠定了基礎。

貝采尼烏斯提出了有機化學的概念，維勒打破了有機物與無機物的界限，但對有機化學作出巨大貢獻，被稱為“有機化學之父”的卻是李比希。李比希的主要貢獻有：創造了一種有機物元素分析的方法，提出了有機物的基團理論，發現了不少有機物的同分異構現象，研究了脂肪、淀粉和蛋白質對人體各部分的作用，設計了“嬰兒湯”即人乳替代品的配方。

1803年5月12日，尤斯圖斯·馮·李比希出生在德國的黑森·達姆斯塔特大公國的首都達姆斯塔特市，父親是醫藥和染料小作坊主。從小就喜歡動手的李比希就是在作坊中開始他的化學實驗的，14歲時，由于在學校為同學演示實驗發生爆炸而被開除。退學后，李比希到一個鄉村藥鋪當學徒，又因實驗爆炸被辭退。兩次實驗事故使李比希成為遠近聞名的好學者，1822年，黑森·達姆斯塔特大公路德維希一世提供獎學金送李比希到巴黎學習化學。在巴黎學習期間，李比希表現優異，引起當時在巴黎講學的亞歷山大·馮·洪堡的注意，洪堡是“官二代”，也是當時歐洲的科學權威，位高權重，洪堡推薦李比希回國擔任吉森大學的教授。李比希在吉森大學工作了27年，創建了世界上第一個化學教學公共實驗室，對化學教學進行了影響深遠的改革，開創了化學界的吉森學派。從1901年到1910年，10位獲得諾貝爾化學獎的化學家有7名來自吉森學派，他們是范霍夫、費歇爾、阿累尼烏斯、拜耳、布赫納、奧斯特瓦爾德、瓦拉赫。1845年，黑森·達姆斯塔特大公授予李比希男爵封號。1852年，李比希應邀來到慕尼黑，擔任巴伐利亞國王馬克西米利安二世的科學顧問，在慕尼黑工作20年后，于1873年4月去世。

李比希對農業及肥料的研究是開創性的。李比希否定了植物主要從腐殖質（死去的植物殘體分解物）中吸取養料的觀點，他通過分析農作物及其果實的成分得出結論：農作物生長需要碳、氫、氧、氮、磷、鉀、鈣、鎂等元素。碳、氫、氧可由植物的光合作用獲得，光合作用將水和二氧化碳合成葡萄糖等。植物無法獲得充足的其他元素，必須額外施肥。

鉀肥比較容易解決，草木灰中就含有較多的鉀離子。自然界中的磷元素也比較多，最重要的礦石是磷灰石，其主要成分是磷酸鈣。但磷酸鈣難以溶解，所以很難被植物直接吸收。李比希想到用硫酸與磷酸鈣反應。制得了過磷酸鈣，很好地解決了這一問題。氮元素可以由智利硝石提供，但代價高昂。植物只能吸收硝態氮和銨態氮。雷電可以把空氣中的氮氣轉化為硝態氮，某些土壤細菌以及豆科植物的根瘤菌可以將空氣中的氮氣轉化為銨態氮。但這兩種方式的產量都很低，不能滿足植物的需要。那么，能用化學方法將空氣中的氮氣轉化為氮肥嗎？

德國化學家哈伯首次成功實現了將空氣中的氮氣與來自于水的氫氣合成氨。但這種成功也是要打引號的，因為反應條件太苛刻，產率也太低！600℃的高溫、200個大氣壓的高壓、極為昂貴的鋨-鈾催化劑、只有8%的產率。哈伯后來又設計了循環重復加工過程。將生成物氨及時液化分離出來。才使這個反應在經濟效益上也是可行的。

德國巴登苯胺-純堿制造公司（即巴斯夫公司）立即購買了哈伯的專利，開始實驗工業化大規模生產氨。以公司的化工專家波施為首的研究小組經過20000多次實驗，終于開發出高效低廉的新的催化劑：含有少量K、Mg、AJ、Ca的鐵組催化劑——鐵觸媒。這一成果，極大地促進了合成氨工業的普及和發展。波施也成功應對了高壓難題。波施先用厚度達到3 cm的鋼板制作合成塔，但只使用了3天，鋼板就破裂了，原來是氫氣經過高壓滲透到鋼里，和其中的碳化合生成了甲烷氣體，鋼的組織受到破壞。后來波施想到在鋼壁的內部用熟鐵做襯里，才解決問題。熟鐵含碳少，不會被氫氣腐蝕，熟鐵也很軟，減輕了高壓氫氣對鋼壁的沖擊。

合成氨被稱為20世紀最偉大的化學發明，因為氨的合成使氮肥的大規模生產成為現實，這極大地提高了糧食產量。解決了數以億計的人口吃飯問題。“合成氨”意義如此重大，以至于諾貝爾獎評選委員會兩次對其頒獎。1918年獎勵哈伯發明合成氨反應，1931年獎勵波施發明在化學上應對高壓的方法。

因為氨是工業法制硝酸的原料，所以合成氨也是炸藥工業的基礎。第一次世界大戰期間，德國利用哈伯發明的合成氨工藝大量生產烈性炸藥TNT，給歐洲人民帶來了巨大的災難。“自從哈伯制氨法發明以來，基于硝基的炸藥已經導致全球1億人死亡。但如果沒有工業氮肥的話，全世界一半以上的人都得餓死”。這是歐盟專家馬克·蘇頓發表在《自然》雜志上的一段話。

責任編輯 彭德利