哈伯法合成氨

化学物质

氨是最重要的氮肥，是产量最大的化工产品之一，传统的工业合成氨技术是犹太人哈伯（ Fritz Haber）在1905年发明的，因此也被称为哈伯法合成氨。哈伯本人也因此获得了1918年度诺贝尔化学奖。哈伯法合成氨需要20~50MPa的高压和500℃的高温，并用铁作催化剂，氢气和氮气在催化剂、高温、高压下合成氨。

背景介绍

19世纪以前，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、氢合成氨的反应是可逆的，增加压力将使反应推向生成氨的方向：提高温度会将反应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小；催化剂对反应将产生重要影响。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。法国化学家勒夏特列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基础的哈伯决心攻克这一令人生畏的难题。

发明

哈伯首先进行一系列实验，探索合成氨的最佳物理化学条件。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合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，进一步与水蒸汽反应，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，就制得了较纯净的氢气。

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。

氮气和氢气的混合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佳？以什么样的催化剂为最好？这还必须花大力气进行探索。以锲而不舍的精神，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℃的高温、200个大气压和锇为催化剂的条件下，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。哈伯知道合成氨反应不可能达到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应的转化率几乎接近于100%。怎么办？哈伯认为若能使反应气体在高压下循环加工，并从这个循环中不断地把反应生成的氨分离出来，则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。这就是合成氨的哈伯法。

主要影响

当哈伯的工艺流程展示后，立即引起了早有用战争吞并欧洲称霸世界的野心的德国军政要员的高度重视，为了利用哈伯，德国皇帝也屈尊下驾请哈伯出任德国威廉研究所所长之职。而恶魔的需要正好迎合了哈伯想成为百万富翁的贪婪心理。从1911年到1913年短短两年内，哈伯不仅提高了合成氨的产率，而且合成1000吨液氨，并且用它制造了3500吨烈性炸药TNT.到1913年的第一次世界大战时，哈伯为德国建成了无数个大大小小的合成氨工厂，为侵略者制造了数百万吨炸药因而导致并蔓延了这场殃祸全球的世界大战。

当事实真相大白于天下时，哈伯受到了世界各国科学家的猛烈抨击，尤其当他获得1918年诺贝尔化学奖时，更激起了世界人民的愤怒。但是哈伯的工作对化学的进步，以及对农业发展和人类生活所作的贡献是不可磨灭的。

他因为攻克氨的合成这一世界难题，将无数人从饥饿的死亡线上拯救出来；他也因发明大量化学武器并用于战争，使无数人伤残致死；他是诺贝尔化学奖得主受人尊敬，也是战争魔鬼遭人唾骂。

人物介绍

划时代的化学天才

弗里茨·哈伯1868年12月9日出生于德国一富商家庭。他在读书期间就显现出巨大的化学天赋，23岁那年，德国皇家科学院破格授予他化学博士学位。

哈伯从1904年开始进行合成氨的试验。此前已有无数科学家从18世纪中叶就开始这一努力，历经一个半世纪，仍研究未果。

1906年，哈伯在600℃高温、200兆帕高压条件下，用锇作催化剂，以电解水生成的氢和大气中的氮为原料，成功得到了氨浓度为6%~8%的产率。1909年，他又用原料气循环使用的方法，成功地解决了氨、氮混合气率不高的问题。1914年哈伯建成一座日产30吨合成氨的工厂。

哈伯的发明震动了全球化学界，并产生划时代效应。他的发明使大气中的氮变成生产氮肥的、永不枯竭的廉价来源，从而使农业生产依赖土壤的程度减弱。哈伯因此被称作解救世界粮食危机的化学天才。

丧心病狂的毒气弹魔鬼

就在哈伯建成氨工厂这一年，一战爆发。哈伯是一个狂热的民族主义者。他完全效忠于德皇，将其所有的才华投入到毒气弹的研制和使用中。

1914年9月，哈伯向德军参谋本部提出了一条灭绝人性的建议：用他研制的化学武器打开缺口。德军在哈伯的指导下很快建立了世界第一支毒气部队。

1915年4月，哈伯亲临前线指挥毒气弹的施放。大量的钢瓶氯气飘向联军阵地。这场化学战首开了人类战争史上将毒气弹用于实战的先例。联军1.5万人中毒，其中5000人死亡。