合成氨的固氮法是如何发明和应用的？

地球上翻倍的人口要求人类生产更多的食物来养活它。但是，地球的空间是固定的，人均土地不会增加。解决问题的方法之一是设法提高粮食亩产量。粮食作物的生长需要磷肥、钾肥和氮肥。没有这些肥料，很难有好收成。因此，各种肥料的重要性以及氮肥在各种肥料中的关键作用逐渐被人们所认识。

过去，氮肥以硝酸钠和硫酸铵的形式广泛使用。由于需求的快速增长，人们不禁担心硝酸钠很快会用完，硫酸铵会供不应求。因此，固氮问题引起了科学界的高度重视。氮气约占地球空气总量的5分之4。空气中虽然有大量的游离氮，但是氮的化学性质非常不活泼，很难直接利用。科学家发现，在自然界的常温下，游离氮只能被豆科植物上产生的一种细菌直接利用，这种细菌叫做根瘤菌。根瘤菌有一个奇妙的能力，就是它有固氮的功能，可以在常温下把空气中的氮转化成它需要的氮肥。

65438-0902年，德国卡尔斯鲁厄工程学院化学系教授哈白开始了划时代的将氮固定为氮氧化物和氨(氮最常见的化合物)的科研工作。在化学平衡理论的指导下，他开始一点一点耐心地实验。他曾经在枪壳里嵌入一个能承受数百个大气压的反应容器，利用阿马尔学会的煤气灯公司提供的铂、钨、铀等稀有金属材料，冒着高温高压的风险不断实验，寻找新的催化剂。

1907年，哈白等人在550℃左右、150至250个大气压的异常高压条件下，终于成功获得了8.25%的氮化合物——氨，并首次成功制得0.1公斤合成氨，从而使合成氨的研发突破实验室，开始进入实用领域，转化为工业生产。

1909年，哈白提出了“循环”的概念。所谓“循环”，就是未发生化学反应的氮气和氢气返回反应器，反应后的氨气通过冷凝分离。这样可以提高合成氨的收率，使该工艺得以实施。这个概念可以说是合成氨开发技术产业化过程中的一个决定性突破。

1919年，考虑到哈白发明的合成氨在经济生产中发挥了巨大作用，瑞典学院科学委员会决定授予哈白诺贝尔化学奖，这是1918年世界最高科学荣誉，以表彰他在合成氨研究中的杰出贡献。哈柏在领奖时的讲话中曾把合成氨的发明形容为“把石头变成面包”，不料引起了全世界科学界的一致愤怒。一些评论家甚至将哈白的发明与德国发动一战联系在一起，认为他的发明也大大增强了德国战时炸药的生产能力。

不管哈白的比喻是否恰当，他的发明确实为人类开辟了一条直接利用游离氨的途径，也开创了高压下合成氨的化学方法。其意义不仅在于使大气中的氮成为取之不尽、用之不竭的廉价化肥来源，还在于使农业生产发生根本性变化。同时，这项发明极大地促进了与之相关的科学技术的发展。比如1923，甲醇是在100到200个大气压下合成的；1926，100大气压下的人造油；1937，1400大气压条件下高压聚乙烯的生产都与合成氨理论的建立和发展有关。从这个角度看，哈白开创了化学科学研究的新时代。