江玉安

科学西游记的第19站，我们从海德堡北行至达姆斯塔特市，再经过法兰克福到吉森，最后越过德国国境进入波兰的弗罗茨瓦夫（弗罗茨瓦夫在第二次世界大战前是德国的城市，城市名为布雷斯劳），来一次“有机”与“化肥”之旅，并拜访化学家李比希、维勒、哈伯和波施。

化学的前身是炼金和制药，炼金术士主要进行矿物的熔炼，一心想制出黄金；医药家主要研究草药，一心想找出包治百病的良方。瑞典化学家贝采尼乌斯最早提出有机化学的概念。“机”就是生命体的意思。那时，大部分化学家明白有机化学与无机化学的区别。显然炼金研究无机物。本草就是有机物。当时的认识是，有生命的物质具有独特的生命力，只有生命体才能合成和转化有机物。

1828年，弗里德里希·维勒破除了所谓的“生命力论”，用无机物氰酸铵合成了有机化合物尿素，他兴奋地给他的老师贝采尼乌斯写信说：“我告诉您。我已经能够制造出尿素，而且不求助于人或动物的肾。”同年，维勒发表《论尿素的人工合成》，为有机化学发展成为一门独立的学科奠定了基础。

贝采尼乌斯提出了有机化学的概念，维勒打破了有机物与无机物的界限，但对有机化学作出巨大贡献，被称为“有机化学之父”的却是李比希。李比希的主要贡献有：创造了一种有机物元素分析的方法，提出了有机物的基团理论，发现了不少有机物的同分异构现象，研究了脂肪、淀粉和蛋白质对人体各部分的作用，设计了“婴儿汤”即人乳替代品的配方。

1803年5月12日，尤斯图斯·冯·李比希出生在德国的黑森·达姆斯塔特大公国的首都达姆斯塔特市，父亲是医药和染料小作坊主。从小就喜欢动手的李比希就是在作坊中开始他的化学实验的，14岁时，由于在学校为同学演示实验发生爆炸而被开除。退学后，李比希到一个乡村药铺当学徒，又因实验爆炸被辞退。两次实验事故使李比希成为远近闻名的好学者，1822年，黑森·达姆斯塔特大公路德维希一世提供奖学金送李比希到巴黎学习化学。在巴黎学习期间，李比希表现优异，引起当时在巴黎讲学的亚历山大·冯·洪堡的注意，洪堡是“官二代”，也是当时欧洲的科学权威，位高权重，洪堡推荐李比希回国担任吉森大学的教授。李比希在吉森大学工作了27年，创建了世界上第一个化学教学公共实验室，对化学教学进行了影响深远的改革，开创了化学界的吉森学派。从1901年到1910年，10位获得诺贝尔化学奖的化学家有7名来自吉森学派，他们是范霍夫、费歇尔、阿累尼乌斯、拜耳、布赫纳、奥斯特瓦尔德、瓦拉赫。1845年，黑森·达姆斯塔特大公授予李比希男爵封号。1852年，李比希应邀来到慕尼黑，担任巴伐利亚国王马克西米利安二世的科学顾问，在慕尼黑工作20年后，于1873年4月去世。

李比希对农业及肥料的研究是开创性的。李比希否定了植物主要从腐殖质（死去的植物残体分解物）中吸取养料的观点，他通过分析农作物及其果实的成分得出结论：农作物生长需要碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁等元素。碳、氢、氧可由植物的光合作用获得，光合作用将水和二氧化碳合成葡萄糖等。植物无法获得充足的其他元素，必须额外施肥。

钾肥比较容易解决，草木灰中就含有较多的钾离子。自然界中的磷元素也比较多，最重要的矿石是磷灰石，其主要成分是磷酸钙。但磷酸钙难以溶解，所以很难被植物直接吸收。李比希想到用硫酸与磷酸钙反应。制得了过磷酸钙，很好地解决了这一问题。氮元素可以由智利硝石提供，但代价高昂。植物只能吸收硝態氮和铵态氮。雷电可以把空气中的氮气转化为硝态氮，某些土壤细菌以及豆科植物的根瘤菌可以将空气中的氮气转化为铵态氮。但这两种方式的产量都很低，不能满足植物的需要。那么，能用化学方法将空气中的氮气转化为氮肥吗？

德国化学家哈伯首次成功实现了将空气中的氮气与来自于水的氢气合成氨。但这种成功也是要打引号的，因为反应条件太苛刻，产率也太低！600℃的高温、200个大气压的高压、极为昂贵的锇-铀催化剂、只有8%的产率。哈伯后来又设计了循环重复加工过程。将生成物氨及时液化分离出来。才使这个反应在经济效益上也是可行的。

德国巴登苯胺-纯碱制造公司（即巴斯夫公司）立即购买了哈伯的专利，开始实验工业化大规模生产氨。以公司的化工专家波施为首的研究小组经过20000多次实验，终于开发出高效低廉的新的催化剂：含有少量K、Mg、AJ、Ca的铁组催化剂——铁触媒。这一成果，极大地促进了合成氨工业的普及和发展。波施也成功应对了高压难题。波施先用厚度达到3 cm的钢板制作合成塔，但只使用了3天，钢板就破裂了，原来是氢气经过高压渗透到钢里，和其中的碳化合生成了甲烷气体，钢的组织受到破坏。后来波施想到在钢壁的内部用熟铁做衬里，才解决问题。熟铁含碳少，不会被氢气腐蚀，熟铁也很软，减轻了高压氢气对钢壁的冲击。

合成氨被称为20世纪最伟大的化学发明，因为氨的合成使氮肥的大规模生产成为现实，这极大地提高了粮食产量。解决了数以亿计的人口吃饭问题。“合成氨”意义如此重大，以至于诺贝尔奖评选委员会两次对其颁奖。1918年奖励哈伯发明合成氨反应，1931年奖励波施发明在化学上应对高压的方法。

因为氨是工业法制硝酸的原料，所以合成氨也是炸药工业的基础。第一次世界大战期间，德国利用哈伯发明的合成氨工艺大量生产烈性炸药TNT，给欧洲人民带来了巨大的灾难。“自从哈伯制氨法发明以来，基于硝基的炸药已经导致全球1亿人死亡。但如果没有工业氮肥的话，全世界一半以上的人都得饿死”。这是欧盟专家马克·苏顿发表在《自然》杂志上的一段话。

责任编辑 彭德利