王震元

伊普雷的毒霧

1914年，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。

在比利時的弗蘭德省，有一座名叫伊普雷的小鎮(zhèn)，該鎮(zhèn)的西南方有一塊高地，一戰(zhàn)期間曾被協(xié)約國軍隊搶先占領(lǐng)。這塊高地的戰(zhàn)略意義十分重大，雖然德軍多次組織大兵團(tuán)發(fā)動猛烈攻勢，但因遭到協(xié)約國軍隊的頑強抵抗而始終未能奏效。

1915年4月22日，伊普雷小鎮(zhèn)氣候宜人，陽光和煦。特別是到了傍晚，微風(fēng)從北面——德軍防線背后，經(jīng)過高地吹向附近的朗格馬克村，使駐守在那里的協(xié)約國士兵們感到分外舒適。他們并沒有意識到，一場毀滅性的災(zāi)難正在逼近……

就在距離前沿陣地不遠(yuǎn)的戰(zhàn)壕里，潛伏著德國陸軍第23和第26軍團(tuán)的4個師。他們已經(jīng)守候了整整一天。現(xiàn)在風(fēng)向變了，時機成熟！

當(dāng)日17時整，3枚紅色信號彈劃破長空，這是高射炮陣地發(fā)動攻擊的信號。與此同時，駐守在朗格馬克村的協(xié)約國士兵看見兩股黃綠色的云團(tuán)從敵軍防線升起，猶如波濤洶涌，向前逐漸合攏成一股藍(lán)白色的煙霧。

德國化學(xué)家哈伯

原來，在長約6千米的前沿陣地上，德軍用沙袋和鋼筋混凝土構(gòu)筑了一些特殊的掩護(hù)炮位。此時，德軍士兵們正在打開掩護(hù)炮位里的6000個鋼瓶。這些鋼瓶中裝著液態(tài)氯，壓力一減，瓶中的液態(tài)氯就與空氣接觸，立即氣化。被排放出的氯氣帶著嘶嘯聲，形成一股濃密的云團(tuán)?？諝庵校葰獾暮恐灰_(dá)到1/1000即可致人于死地。此時，160噸的氯氣正升騰而起，從低空隨著微風(fēng)飄向協(xié)約國軍隊的陣地。毒氣戰(zhàn)開始了！

不到1分鐘，德軍排放的氯氣就沖過了第一道防線，將協(xié)約國軍隊的幾萬名官兵都卷進(jìn)煙云之中。幾秒鐘后，在氯氣的作用下，官兵們或是手伸向空中亂抓或是壓住喉嚨四散奔跑……而此時，德國步兵卻早有準(zhǔn)備地戴著用水打濕的紗布和棉花制成的防毒面具，小心翼翼地尾隨著氯氣波向前涌動。當(dāng)晚，德軍就突破了協(xié)約國軍隊堅守數(shù)月的防線……其實4月13日，一名被俘的德國列兵耶格爾就向協(xié)約國軍隊統(tǒng)帥部披露過德軍的這一計劃，可惜未被重視。

這場毒氣戰(zhàn)共造成大約5千名協(xié)約國官兵死亡，1萬人受傷（他們中50%后來都變成了殘疾人）。事后，一名軍醫(yī)對死者進(jìn)行尸檢后作了這樣的描繪：死者的臉、頸部，以及手部明顯變色。打開死者胸腔，可見兩葉肺腫脹。搬動遺體時，死者肺中滲出大量淡黃色帶泡沫的分泌液。據(jù)這名軍醫(yī)稱，這種死亡是由于“空氣饑餓”造成的，或者說是“被淹死在自己的分泌物之中”。

哈伯實驗室使用的高溫高壓合成氨反應(yīng)器

早在1899年，荷蘭《海牙宣言》就明文規(guī)定：“各締約國禁止使用專用于散布窒息性或有毒氣體的投射物?！钡聡彩蔷喖s國之一，但德軍卻公然挑釁國際公約，造成了嚴(yán)重的人道主義災(zāi)難。

實施一場毒氣戰(zhàn)除了離不開強大的化學(xué)工業(yè)支持外，還需要化學(xué)家的精心指導(dǎo)。德國化學(xué)家弗里茨·哈伯在所謂的“愛國心”驅(qū)使下，就充當(dāng)了這個被稱為“戰(zhàn)爭魔鬼”的角色。更令人不可思議的是，這個“戰(zhàn)爭魔鬼”后來竟榮獲了1918年諾貝爾化學(xué)獎。此事說來就話長了……

克魯克斯的“危言”

19世紀(jì)，德國黑森公國的化學(xué)家李比希注意到，達(dá)姆施塔特市郊的莊稼正在逐年減產(chǎn)。農(nóng)民們都說，土地越來越貧瘠了，哪能指望好收成呢？眼看土地就要荒廢了！

“要是能給土壤增加一些營養(yǎng)，莊稼不就可以豐收了嗎？”李比希說?！跋壬@您就不懂了，我們莊稼人祖祖輩輩都是這么種地的，”一位農(nóng)民反駁道，“您這么說會鬧笑話的?！?/p>

但是李比希早就立志將化學(xué)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，這可不是在說笑話。他查閱了大量資料，發(fā)現(xiàn)中國、印度等國的農(nóng)民，為使莊稼豐收，不斷給土地施用人畜糞便。他推斷，這一定是由于糞便中含有能使土壤肥沃的成分，以及莊稼生長所需要的物質(zhì)。但是在歐洲，人們在觀念上無法接受。“耕地到底缺乏什么？莊稼的生長又需要什么？”李比希暗自鼓勵自己，“我一定要弄個明白！”

合成氨相關(guān)諾貝爾獎獲得者：Fritz Haber、Carl Bosch、Gerhard Ertl（從左到右）

李比希進(jìn)行了大量實驗，終于發(fā)現(xiàn)氮元素是植物生長所必需的元素之一。植物通過吸收二氧化碳及水中的碳、氫、氧，通過光合作用產(chǎn)生淀粉、纖維素和脂肪。而構(gòu)成生命的基礎(chǔ)——蛋白質(zhì)，除了碳、氫、氧外，一般還含有16.5%的氮元素。于是他進(jìn)一步指出，植物每年從土壤中帶走大量的氮元素，由于沒有及時得到補充，因而歐洲的土地正在年復(fù)一年地貧瘠下去。因此，他號召農(nóng)民們在土壤中施加含氮的化合物當(dāng)肥料，并親自從智利運來了含氮的硝石（硝酸鈉）。但是，科學(xué)的思想不是一下子就能被大家接受的。當(dāng)時，誰也不愿意花錢買“石頭”撒到土地中。第一批硝石幾乎沒人買，最終只好倒入海中。

事實會教訓(xùn)人，時間更會做出正確的判斷。沒過多久，農(nóng)民們通過對比終于認(rèn)識到往土壤里補充氮元素的重要性。于是，大家就爭著去買硝石。

但是，到了1895年，英國著名的光譜學(xué)家克魯克斯卻發(fā)表了震驚世界的演講。他說：“位于大洋彼岸的智利硝石礦藏有限，資源將日益枯竭。一旦沒有了智利硝石，那么歐洲土地中的氮元素必將急劇減少，收成會再次一落千丈……”于是，他向化學(xué)家們發(fā)出緊急呼吁：全力以赴解除“氮荒”威脅。

1918年諾貝爾獎化學(xué)獎得主弗里茨·哈伯（Fritz Haber）的獲獎證書

克魯克斯的言論似乎有點“危言聳聽”。因為氮氣在空氣中的體積占4/5，總量高達(dá)4千萬億噸（4x1015/噸），平均每平方千米上空的氮氣就有1000萬噸之多。但是，除了某些豆科植物的根瘤菌能將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為化合物外，其他如水稻、小麥等主要農(nóng)作物都無法直接吸收氮氣。

于是，哈伯又登場了。這一次他將扮演什么角色呢？

哈伯的杰出貢獻(xiàn)

利用氮和氫作為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個較難的課題。研究表明，農(nóng)作物只能吸收、利用包含在化合物中的氮元素。而氮氣分子是由兩個氮原子構(gòu)成的，其分子式為N2。這兩個氮原子之間形成3根結(jié)合很牢固的共價鍵（N≡N）。所以要把氮氣轉(zhuǎn)換為氮的化合物，首先必須把共價鍵“拆開”，化學(xué)上稱為氮原子的“活化”，這需要很大的能量。雖然提高溫度可以增加活化能，但由于這是一個“可逆反應(yīng)”，因而活化的同時又促進(jìn)了氨的分解。所以一百多年來，氨氣的合成實驗均以失敗告終。

19世紀(jì)下半葉開始，科學(xué)家們逐漸發(fā)現(xiàn)，使用催化劑可以降低氮的活化能，從而提高壓力，使反應(yīng)向氨的合成方向發(fā)展。

法國化學(xué)家勒夏特里雖然是第一個試圖進(jìn)行高壓合成氨實驗的人，但他的實驗由于在氮氫混合氣中混入氧氣引發(fā)爆炸而半途而廢。當(dāng)時，年僅23歲就被柏林大學(xué)破格授予化學(xué)博士學(xué)位的哈伯，卻在綜合前人研究成果和失敗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上迎難而上，成功設(shè)計出一套適合于高壓實驗的裝置和合成氨的工藝流程。

大致的工藝流程如下：在熾熱的焦炭上方吹入水蒸汽，獲得幾乎等體積的一氧化碳和氫氣的混合氣體。一氧化碳在催化劑的作用下，進(jìn)一步與水蒸汽反應(yīng)，生成二氧化碳和氫氣。然后，將混和氣體在一定壓力下溶于水，這時二氧化碳被吸收，就制得了較為純凈的氫氣。同樣，將水蒸汽與適量的空氣混合后，通過熾熱的炭，空氣中的氧氣和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收掉，從而得到了所需要的氮氣。

1909年，哈伯憑借鍥而不舍的精神，堅持不懈地探索、計算和實驗，終于使高壓合成氨的實驗獲得了重大突破。他在600℃高溫、200兆帕高壓條件下，用鋨作催化劑，以電解水生成的氫和大氣中的氮為原料，成功得到了濃度為8%的氨。這就是科學(xué)史上最初的“哈伯法合成氨”。

當(dāng)時德國最大的化工企業(yè)——巴登苯胺和純堿制造公司的高層，迅速察覺到了哈伯該項發(fā)明的重大價值，于是指派化工專家卡爾·博施與他合作。博施認(rèn)為，哈伯使用的催化劑金屬鋨難以加工，因為它與空氣接觸時，易轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性的四氧化物。另外，這種稀有金屬的價格極其昂貴，必須尋找便宜實用的催化劑來替代。于是，哈伯建議改用鈾為催化劑。但鈾對氧氣和水都很敏感，其催化效果很容易喪失。于是他們經(jīng)過2萬多次實驗，測定了2500多種不同的配方，終于成功研制出了含鉛鎂促進(jìn)劑的鐵催化劑。當(dāng)然，開發(fā)適用的高壓設(shè)備也是工藝的關(guān)鍵。由于經(jīng)受高壓的低碳鋼反應(yīng)器很容易受到氫氣的腐蝕，因而博施決定改用合金鋼代替低碳鋼，解決了這個難題。

1913年，巴登苯胺和純堿制造公司建成了世界上第一座合成氨工廠，并很快將日產(chǎn)量提高到了30噸。這種經(jīng)過改進(jìn)，使合成氨實現(xiàn)工業(yè)化的方法被稱為“哈伯-博施法”。

合成氨的大規(guī)模生產(chǎn)具有十分重大的意義。它使人類從此擺脫了依靠天然氮肥的被動局面，加速了世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展。更值得人們關(guān)注的是，1911年的一天，合成氨方法初獲成功，德皇威廉二世就屈駕親臨小城卡爾斯魯厄的哈伯實驗室。此舉對哈伯后來的命運又產(chǎn)生了怎樣的影響呢？

（未完待續(xù)）