中国科学报@硝酸铵简史：生存还是毁灭？中国科学报2020-08-13 10:37:520阅
来源： 中国科学报
作者：周程
文章图片
图1/28月4日 ， 黎巴嫩的贝鲁特港口发生大规模爆炸 ， 遇难人数达158人 ， 逾6000人受伤、21人失踪 。 据报道 ， 黎巴嫩高级官员表示 ， 此次大爆炸很有可能是在港口仓库存放六年之久的2750吨硝酸铵被引燃造成的 。
5年前的8月12日 ， 国内天津港大爆炸也是由硝化棉自燃起火引发的硝酸铵爆炸 。 实际上 ， 自20世纪初硝酸铵大规模生产后 ， 其引发的安全问题就一再出现：1921年德国奥堡工厂大爆炸、1947年美国得克萨斯州港口大爆炸、2001年法国图卢兹化工厂大爆炸……
硝酸铵是一种普通化工产品 ， 但它从诞生之日起 ， 就被赋予了生存或是毁灭的两重期待：或制作化肥提高粮食产量 ， 为了人类的生存；或制作成炸药 ， 用于战争 ， 这必将带来大量的伤亡 。
【中国科学报@硝酸铵简史：生存还是毁灭？中国科学报2020-08-13 10:37:520阅】在这样的期待下 ， 硝酸铵历经万千次探索、一波三折终从实验室迈向中间试验 ， 并最终走向大规模生产 。 本文是北京大学哲学系教授周程基于科学技术史视角细述的硝酸铵的故事 。
肥料和炸药的刺激
工业革命后 ， 欧洲各国的人口出现快速增长 。 用有限的土地养活更多的人口 ， 成了摆在欧洲各国面前的一个重大课题 。
要扩大粮食生产首先必须增加肥料的供给 ， 而当时人畜粪便和堆肥等传统肥料已无法满足日益增长的粮食生产的需求 ， 欧美等国不得不想方设法开拓新的肥料供应源 。 秘鲁钦查群岛上的鸟粪山就是在这个时候引起西方商人关注的 。 由于开采量太大 ， 19世纪50年代后期 ， 数千年堆积而成的鸟粪山不出20年便被挖得依稀可见地表岩层了 。
工业革命还导致炸药使用量激增 。 开矿、兴建铁路、开挖运河 ， 这些基础设施建设离不开炸药 。 1853年爆发的克里米亚战争更是将炸药的需求量推向了一个高峰 。 进入19世纪中期后 ， 英、法、德等国把目光投向了南美阿塔卡马沙漠太平洋沿岸附近的硝石产地 ， 该地区属于智利管辖 。
在生产炸药和肥料两种需求的刺激下 ， 智利硝石的出口量猛增 。 欧洲人又开始担忧智利硝石是否会像秘鲁鸟粪山一样很快就被消耗殆尽的问题了 。
1898年 ， 英国皇家学会会长克鲁克斯呼吁科学家立即行动起来 ， 着手研制可大量合成的新型肥料 ， 尤其是把空气中大量存在的氮气转换成种植小麦时不可或缺的含氮肥料 。
1900年担任莱比锡大学化学系教授、后来于1909年获诺贝尔化学奖的德国学者奥斯特瓦尔德（Friedrich W 。Ostwald ， 1853-1932）决定响应克鲁克斯的号召 ， 启动直接用氮气和氢气合成氨的研究 。 不过 ， 他最初的动机是为了预防德国的硝石运输线被英国海军切断的不测 。
此前 ， 已有很多人从事过合成氨研究 ， 但大都没有取得实质性的进展 。 奥斯特瓦尔德是催化研究领域的专家 。 他认为合成氨的关键在于实现温度、压强和触媒之间的平衡 。 他在实验中发现 ， 使用铁丝做触媒 ， 对氮气和氢气进行加热后可获得一定量的氨 。 他试图将这项技术高价卖给巴斯夫公司 。
巴斯夫公司在决定是否购买该项技术时 ， 有关负责人让进公司还不到一年的卡尔·博施（Carl Bosch ， 1874-1940）对奥斯特瓦尔德的合成氨实验进行了追试 。 博施的追试实验不尽如人意 ， 并与奥斯特瓦尔德发生争执 ， 奥斯特瓦尔德一气之下决定不再从事合成氨研究 。
不服输的哈伯
20世纪初 ， 还有不少德国学者前赴后继地展开用氮气和氢气合成氨的研究 ， 其代表人物有能斯特（Walther H 。Nernst ， 1864-1941）和弗里茨·哈伯（Fritz Haber ， 1868-1934） 。
能斯特1904年起担任柏林大学的物理化学教授 ， 1920年因发现热力学第三定律而荣获当年度的诺贝尔化学奖 。
哈伯1898年起担任卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）高等工科学校物理化学和电化学副教授 ， 1906年升任教授 ， 1919年因发明用氮气和氢气直接合成氨的方法而荣获1918年度诺贝尔化学奖 。
哈伯1904年把研究重点转向合成氨 。 最初 ， 他主要遇到了两个难题：一是组成氮气分子的两个氮原子结合得非常紧密 ， 很难把它们分离开 ， 除非加热到1000℃以上；二是氮原子和氢原子结合成氨分子时 ， 会产生大量的热能 ， 如果不能快速地对氨进行冷却处理 ， 氨分子很容易吸热分解 。
哈伯在实验中获得的氨的数量极少 ， 由于合成氨的产率太低 ， 工业化生产前景不妙 ， 哈伯打算放弃这项研究 。 1905年 ， 哈伯公开发表了他在研究过程中获得的部分数据 。
能斯特当时也在从事与合成氨相关的研究 ， 他在把自己发现的热定理运用到氨的平衡研究过程时 ， 计算出了在不同温度条件下用氮气和氢气合成氨时的产率 。
该计算值远小于哈伯的实验数据 。 能斯特认为哈伯的数据偏大极有可能是因实验误差造成的 。 1906年秋 ， 能斯特把自己研究得出的数据远小于哈伯测得的数据一事写信告诉了哈伯 。
在1907年德国本生协会会议上 ， 能斯特和哈伯先后公开了自己有关合成氨的最新研究结果 。 由于双方的氨的产率数据差异比较大 ， 彼此之间为谁是谁非发生了争执 。 哈伯回到学校后便一头钻进实验室 ， 几乎把所有时间都用来从事合成氨研究 。 他发誓一定要洗刷掉能斯特泼在自己身上的脏水 。
推荐阅读
- 王俊凯|英雄联盟中国区品牌代言人周杰伦&王俊凯，我心目中的电竞男主！
- 中国东部|河南北部、东部、南部有福了? 有限的降雨将发生在这里
- 声音|代表山东征战《中国好声音》“低音炮”小伙回青献艺
- 古都正|中国千年古都正在崛起“硬科技”
- |为中国汽车品牌的担当点赞 长城皮卡召回部分长城炮
- 暴雨蓝色预警！四川云南等地局地有大暴雨来袭
- 美媒：中国没有战机能拦U-2，但有办法将其击落
- 选手|“文化中国·水立方杯”中文歌赛匈牙利赛区决赛落幕
- 白酒|真全粮酒比酒精酒好在哪里？
- 疯狂抹黑！两名中国籍高校研究人员在美被捕，美司法部宣称其“破坏证据”“窃取机密”