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合成氨的历史
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。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。
氮气和氢气的混和气体可以在高温高压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?用什么样的催化剂为最好?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。哈伯首先进行一系列实验,他并不盲从权威,而是依靠实验来探索,
终于证实了能斯特的计算是错误的。哈伯以锲而不舍的精神,经过不断的实验和计算,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%的转化率当然会影响生产的经济效益,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,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。根据哈伯的工艺流程,
德国当时最大的化工企业——巴登苯胺和纯碱制造公司,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。工程师们改进了哈伯所使用的催化剂,两年间,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。波施想了许多办法,最后决定在低碳钢的反应管子里加一层熟铁的衬里,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。
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
个化学工艺的发展产生了重大的影响。鉴于合成氨工业生产的实现和它的研究对化学理论发
展的推动,1918年诺贝尔化学奖授予了德国化学家哈伯。
翻阅诺贝尔化学奖的记录,就能看到1916一1917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?随着农业的发展,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
1
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基础的哈伯决心攻克这一令人生
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