哈伯法合成氨的发明者哈伯.docx

哈伯法合成氨的创造者哈伯翻阅诺贝尔化学奖的记录，就能看到1916 1917年没有颁奖，因为 这期间，欧洲正经历着第一次世界大战，1918年颁了奖，化学奖授予德 国化学家哈伯。这引起了科学家的议论，英法等国的一些科学家公开地表 示反对，他们认为，哈伯没有资格获得这一荣誉。这究竟是为什么？哈 伯与诺贝尔化学奖随着农业的开展，对氮肥的需求量在迅速增长。在19 世纪以前，农业上所需氮肥的来源主要来自有机物的副产品，如粪类、种 子饼及绿肥。1809年在智利发现了 一个很大的硝酸钠矿产地，并很快被开 采。一方面由于这一矿藏有限，另一方面，军事工业生产炸药也需要大量 的硝石，因此解决氮肥来源必须另辟途径。一些有远见的化学家指出： 考虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于 科学家能实现大气固氮。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利 用的形式，在20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。 哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一。利用氮、 氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研 制到工业化投产，约经历了 150年的时间。1795年有人试图在常压下进行 氨合成，后来又有人在50个大气压下试验，结果都失败了。19世纪下半 叶，物理化学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反响是可逆 的，增加压力将使反响推向生成氨的方向：提高温度会将反响移向相反的 方向，然而温度过低又使反响速度过小；催化剂对反响将产生重要影响。 这实际上就为合成氨的试验提供了理论指导。当时物理化学的权威、德国 的能斯特就明确指出：氮和氢在高压条件下是能够合成氨的，并提供了一 些实验数据。法国化学家勒夏特里第一个试图进行高压合成氨的实验，但 是由于氮氢混和气中混进了氧气，引起了爆炸，使他放弃了这一危险的 实验。在物理化学研究领域有很好根底的哈伯决心攻克这一令人生畏的难 题。哈伯首先进行一系列实验，探索合成氨的最正确物理化学条件。在 实验中他所取得的某些数据与能斯特的有所不同，他并不盲从权威，而 是依靠实验来检验，终于证实了能斯特的计算是错误的。在一位来自英国 的学生洛森诺的协助下，哈伯成功地设计出一套适于高压实验的装置和 合成氨的工艺流程，这流程是：在炽热的焦炭上方吹入水蒸汽，可以获得 几乎等体积的一氧化碳和氢气的混和气体。其中的一氧化碳在催化剂的作 用下，进一步与水蒸汽反响，得到二氧化碳和氢气。然后将混和气体在一 定压力下溶于水，二氧化碳被吸收，就制得了较纯洁的氢气。同样将水蒸 汽与适量的空气混和通过红热的炭，空气中的氧和碳便生成一氧化碳和 二氧化碳而被吸收除掉，从而得到了所需要的氮气。氮气和氢气的混和 气体在高温高压的条件下及催化剂的作用下合成氨。但什么样的高温和高 压条件为最正确？以什么样的催化剂为最好？这还必须花大力气进行探 索。以楔而不舍的精神，经过不断的实验和计算，哈伯终于在1909年取 得了鼓舞人心的成果。这就是在600。C的高温、200个大气压和钺为催化 剂的条件下，能得到产率约为8%的合成氨。8%的转化率不算高，当然会 影响生产的经济效益。哈伯知道合成氨反响不可能到达像硫酸生产那么高 的转化率，在硫酸生产中二氧化硫氧化反响的转化率几乎接近于100%。 怎么办？哈伯认为假设能使反响气体在高压下循环加工，并从这个循环 中不断地把反响生成的氨别离出来，那么这个工艺过程是可行的。于是他 成功地设计了原料气的循环工艺。这就是合成氨的哈怕法。走出实验室， 进行工业化生产，仍将要付出艰辛的劳动。哈伯将他设计的工艺流程申请 了专利后，把它交给了德国当时最大的化工企业一一巴登苯胺和纯碱制 造公司。这个公司原先方案采用以电弧法生产氧化氮，然后合成氨的生产 方法。两相比拟，公司立即取消了原先的方案，、组织了以化工专家波施 为首的工程技术人员将哈伯的设计付诸实施。首先，根据哈伯的工艺流 程，他们找到了较合理的方法，生产出大量廉价的原料氮气、氢气。通过 试验，他们认识到钺虽然是非常好的催化剂，但是它难于加工，因为它 与空气接触时，易转变为挥发性的四氧化物，另外这种稀有金属在世界 上的储量极少。哈怕建议的第二种催化剂是铀。铀不仅很贵，而且对痕量 的氧和水都很敏感。为了寻找高效稳定的催化剂，两年问，他们进行了多 达6500次试验，测试了 2500种不同的配方，最后选定了含铅镁促进剂的 铁催化剂。开发适用的高压设备也是工艺的关键。当时能受得住200个大 气压的低碳钢，却害怕氢气的脱碳腐蚀。波施想了许多方法，最后决定在 低碳钢的反响管子里加一层熟铁的村里，熟铁虽没有强度，却不怕氢气 的腐蚀，这样总算解决了难题。哈伯的合成氨的设想终于在1913年得以 实现，一个日产30吨的合成氨工厂建成并投产。从此合成氨成为化学工 业中开展较快，十分活泼的一个局部。合成氨生产方法的创立不仅开辟了 获取固定氮的途径，更重要的是这一生产工艺的实现对整个化学工艺的 开展产生了重大的影响。合成氨的研究来自正确的理论指导，反过来合成 氨生产工艺的研试又推动了科学理论的开展。鉴于合成氨工业生产的实现 和它的研究对化学理论开展的推动，决定把诺贝尔化学奖授予哈伯是正 确的。哈伯接受此奖也是当之无愧的。一些英、法科学家认为哈伯没有资 格获取诺贝尔奖，原因何在？有人曾认为，假假设没有合成氨工业的建 立，德国就没有足够的军火储藏，军方就不敢贸然发动第一次世界大战。有了合成氨工业，就可以将氨氧化为硝酸盐以保证火药的生产，否那么 仅依靠智利的硝石，火药就无法保证。当然某些科学的创造创造被用于非 正义的战争，科学家是没有直接责任的。英、法科学界对哈伯的指责更多 地集中在哈伯在第一次世界大战中的表现。1906年哈伯成为卡尔斯鲁厄 大学的化学教授，1911年改任在柏林近郊的威廉物理化学及电化学研究 所所长，同时兼任柏林大学教授。1914年世界大战爆发，民族沙文主义所 煽起的盲目的爱国热情将哈伯深深地卷入故争的漩涡。他所领导的实验室 成了为战争效劳的重要军事机构：哈伯承当了战争所需的材料的供给和研 制工作，特别在研制战争毒气方面。他曾错误地认为，毒气进攻乃是一种 结束战争、缩短战争时间的好方法，从而担任了大战中德国施行毒气战的 科学负责人。根据哈伯的建议，1915年1月德军把装盛氧气的钢瓶放在 阵地前沿施放，借助风力把氯气吹向敌阵。第一次野外试验获得成功。该 年4月22日在德军发动的伊普雷战役中，在6公里宽的前沿阵地上，在5 分钟内德军施放了 180吨氯气，约一人高的黄绿色毒气借着凤势沿地面冲 向英法阵地氯气比重较空气大，故沉在下层，沿着地面移动，进入战 壕并滞留下来。这股毒浪使英法军队感到鼻腔、咽喉的痛，随后有些人窒 息而死。这样英法士兵被吓得惊慌失措，四散奔逃。据估计，英法军队约 有15000人中毒。这是军事史上第一次大规模使用杀伤性毒剂的现代化学 战的开始。此后，交战的双方都使用毒气，而且毒气的品种有了新的开 展。毒气所造成的伤亡，连德国当局都没有估计到。然而使用毒气，进行 化学战，在欧洲各国遭到人民的一致遣责。科学家们更是指责这种不人道 的行径。鉴于这一点，英、法等国科学家理所当然地反对授予哈伯诺贝尔 化学奖。哈伯也因此在精神上受到很大的震动，战争结束不久，他害怕被 当作战犯而逃到乡下约半年。晚年的喜与悲1919年第一次世界大战以德 国失败而告终。战后的一段时间里，哈伯曾设计了一种从海水中提取黄金 的方案。希望能借此来支付协约国要求的战争赔款。第一次世界大战中 的哈伯遗憾的是海水中的含金量远比当时人们想像的要少得多，他的努 力只能付诸东流。此后，通过对战争的反省，他把全部精力都投入到科学 研究中。在他卓有成效的领导下，威廉物理化学研究所成为世界上化学研 究的学术中心之一。根据多年科研工作的经验，他特别注意为他的同事们 创造一个毫无偏见、并能独立进行研究的环境，在研究中他又强调理论研 究和应用研究相结合。从而使他的研究所成为第一流的科研单位，培养出 众多高水平的研究人员。为了改变大战中给人留下的不光荣印象，他积极 致力于加强各国科研机构的联系和各国科学家的友好往来。他的实验室里 将近有一半成员来自世界各国。友好的接待，热情的指导，不仅得到了科 学界对他的谅解，同时使他的威望日益增高。然而，不久悲剧再次降落在 他身上。1868年12月9日哈伯出生在德国的布里斯劳即现在波兰的弗 劳茨瓦夫市的一个犹太商人家庭。1933年希特勒篡夺了德国的政权， 建立了法西斯统治后，开始推行以消灭“犹太科学为已任的所谓“雅 利安科学的闹剧，尽管哈伯是著名的科学家，但是因为他是犹太人， 和其他犹太人同样遭到残酷的迫害。法西斯当局命令在科学和教育部门解 雇一切犹太人。弗里茨哈伯这个伟大的化学家被改名为：“Jew。哈伯 即犹太人哈伯。他所领导的威廉研究所也被改组。哈伯于1933年4月30 日庄严地声明：“40多年来，我一直是以知识和品德为标准去选择我的合 作者，而不是考虑他们的国籍和民族，在我的余生，要我改变认为是如 此完好的方法，那么是我无法做到的。随后，哈伯被迫离开了为她热诚 效劳几十年的祖国，流落他乡。首先他应英国剑桥大学的邀请，到鲍波实 验室工作。4个月后，以色列的希夫研究所聘任他到那里领导物理化学的 研究工作。但是在去希夫研究所的途中，哈怕的心脏病发作，于1934年1 月29日在瑞士逝世。哈伯虽然被迫离开了德国，但是德国科学界和人民 并没有忘却他，就在他逝世一周年的那一天，德国的许多学会和学者， 不顾纳粹的阻挠，纷纷组织集会，缅怀这位伟大的科学家。