有機(jī)與化肥之旅

江玉安

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

化學(xué)的前身是煉金和制藥，煉金術(shù)士主要進(jìn)行礦物的熔煉，一心想制出黃金；醫(yī)藥家主要研究草藥，一心想找出包治百病的良方。瑞典化學(xué)家貝采尼烏斯最早提出有機(jī)化學(xué)的概念。“機(jī)”就是生命體的意思。那時(shí)，大部分化學(xué)家明白有機(jī)化學(xué)與無機(jī)化學(xué)的區(qū)別。顯然煉金研究無機(jī)物。本草就是有機(jī)物。當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)是，有生命的物質(zhì)具有獨(dú)特的生命力，只有生命體才能合成和轉(zhuǎn)化有機(jī)物。

1828年，弗里德里希·維勒破除了所謂的“生命力論”，用無機(jī)物氰酸銨合成了有機(jī)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(jīng)能夠制造出尿素，而且不求助于人或動(dòng)物的腎。”同年，維勒發(fā)表《論尿素的人工合成》，為有機(jī)化學(xué)發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。

貝采尼烏斯提出了有機(jī)化學(xué)的概念，維勒打破了有機(jī)物與無機(jī)物的界限，但對(duì)有機(jī)化學(xué)作出巨大貢獻(xiàn)，被稱為“有機(jī)化學(xué)之父”的卻是李比希。李比希的主要貢獻(xiàn)有：創(chuàng)造了一種有機(jī)物元素分析的方法，提出了有機(jī)物的基團(tuán)理論，發(fā)現(xiàn)了不少有機(jī)物的同分異構(gòu)現(xiàn)象，研究了脂肪、淀粉和蛋白質(zhì)對(duì)人體各部分的作用，設(shè)計(jì)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(dá)姆斯塔特大公國的首都達(dá)姆斯塔特市，父親是醫(yī)藥和染料小作坊主。從小就喜歡動(dòng)手的李比希就是在作坊中開始他的化學(xué)實(shí)驗(yàn)的，14歲時(shí)，由于在學(xué)校為同學(xué)演示實(shí)驗(yàn)發(fā)生爆炸而被開除。退學(xué)后，李比希到一個(gè)鄉(xiāng)村藥鋪當(dāng)學(xué)徒，又因?qū)嶒?yàn)爆炸被辭退。兩次實(shí)驗(yàn)事故使李比希成為遠(yuǎn)近聞名的好學(xué)者，1822年，黑森·達(dá)姆斯塔特大公路德維希一世提供獎(jiǎng)學(xué)金送李比希到巴黎學(xué)習(xí)化學(xué)。在巴黎學(xué)習(xí)期間，李比希表現(xiàn)優(yōu)異，引起當(dāng)時(shí)在巴黎講學(xué)的亞歷山大·馮·洪堡的注意，洪堡是“官二代”，也是當(dāng)時(shí)歐洲的科學(xué)權(quán)威，位高權(quán)重，洪堡推薦李比?；貒鴵?dān)任吉森大學(xué)的教授。李比希在吉森大學(xué)工作了27年，創(chuàng)建了世界上第一個(gè)化學(xué)教學(xué)公共實(shí)驗(yàn)室，對(duì)化學(xué)教學(xué)進(jìn)行了影響深遠(yuǎn)的改革，開創(chuàng)了化學(xué)界的吉森學(xué)派。從1901年到1910年，10位獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的化學(xué)家有7名來自吉森學(xué)派，他們是范霍夫、費(fèi)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(dá)姆斯塔特大公授予李比希男爵封號(hào)。1852年，李比希應(yīng)邀來到慕尼黑，擔(dān)任巴伐利亞國王馬克西米利安二世的科學(xué)顧問，在慕尼黑工作20年后，于1873年4月去世。

李比希對(duì)農(nóng)業(yè)及肥料的研究是開創(chuàng)性的。李比希否定了植物主要從腐殖質(zhì)（死去的植物殘?bào)w分解物）中吸取養(yǎng)料的觀點(diǎn)，他通過分析農(nóng)作物及其果實(shí)的成分得出結(jié)論：農(nóng)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(yīng)。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(jià)高昂。植物只能吸收硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。雷電可以把空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，某些土壤細(xì)菌以及豆科植物的根瘤菌可以將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為銨態(tài)氮。但這兩種方式的產(chǎn)量都很低，不能滿足植物的需要。那么，能用化學(xué)方法將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氮肥嗎？

德國化學(xué)家哈伯首次成功實(shí)現(xiàn)了將空氣中的氮?dú)馀c來自于水的氫氣合成氨。但這種成功也是要打引號(hào)的，因?yàn)榉磻?yīng)條件太苛刻，產(chǎn)率也太低！600℃的高溫、200個(gè)大氣壓的高壓、極為昂貴的鋨-鈾催化劑、只有8%的產(chǎn)率。哈伯后來又設(shè)計(jì)了循環(huán)重復(fù)加工過程。將生成物氨及時(shí)液化分離出來。才使這個(gè)反應(yīng)在經(jīng)濟(jì)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(shí)驗(yàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)氨。以公司的化工專家波施為首的研究小組經(jīng)過20000多次實(shí)驗(yàn)，終于開發(fā)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(jìn)了合成氨工業(yè)的普及和發(fā)展。波施也成功應(yīng)對(duì)了高壓難題。波施先用厚度達(dá)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(jīng)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(nèi)部用熟鐵做襯里，才解決問題。熟鐵含碳少，不會(huì)被氫氣腐蝕，熟鐵也很軟，減輕了高壓氫氣對(duì)鋼壁的沖擊。

合成氨被稱為20世紀(jì)最偉大的化學(xué)發(fā)明，因?yàn)榘钡暮铣墒沟实拇笠?guī)模生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)，這極大地提高了糧食產(chǎn)量。解決了數(shù)以億計(jì)的人口吃飯問題?！昂铣砂薄币饬x如此重大，以至于諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)兩次對(duì)其頒獎(jiǎng)。1918年獎(jiǎng)勵(lì)哈伯發(fā)明合成氨反應(yīng)，1931年獎(jiǎng)勵(lì)波施發(fā)明在化學(xué)上應(yīng)對(duì)高壓的方法。

因?yàn)榘笔枪I(yè)法制硝酸的原料，所以合成氨也是炸藥工業(yè)的基礎(chǔ)。第一次世界大戰(zhàn)期間，德國利用哈伯發(fā)明的合成氨工藝大量生產(chǎn)烈性炸藥TNT，給歐洲人民帶來了巨大的災(zāi)難?！白詮墓瓢狈òl(fā)明以來，基于硝基的炸藥已經(jīng)導(dǎo)致全球1億人死亡。但如果沒有工業(yè)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(fā)表在《自然》雜志上的一段話。

責(zé)任編輯 彭德利