完成氮的固定
19世紀中期，人們對植物生長的機理已經有了壹定認識，越來越認識到氮元素對於生物的重要作用。氮是壹切生物蛋白質組成中不可缺少的元素，因而它在自然界中對人類以及其他生物的生存有很重要的意義。自然界中氮的總含量約占地殼全部質量的0.04%，大部分是以遊離狀態存在於大氣中，空氣中含有約78%（體積分數）的氮氣，是空氣的主要組成部分。但是，不論是人還是其他生物（少數生物除外），都不能直接從空氣中吸收這種遊離狀態的氮作為養料。植物只能靠根部從土壤中吸收含氮的化合物，轉變成蛋白質；人和動物只能攝食各種植物和動物體內的蛋白質，補充需要。因此生物從自然界索取氮元素作為自身營養的問題最終歸結為植物由土壤吸收含氮化合物的問題。
土壤中含氮化合物主要來源壹是動物的排泄物或動植物的遺體進入土壤後轉變形成；二是雷電促使空氣中的氮氣和氧氣化合，形成氮的氧化物，溶於雨水中落進土壤；三是某些細菌，例如與豆科植物***生的根瘤菌，吸收空氣中的氮氣而生成壹些含氮的化合物。但是這些來源遠遠不能滿足大規模農業生產的需要，於是如何使大氣中遊離的氮轉變成能為植物吸收的氮的化合物，也就是氮的固定，成為化學家們探索的課題。
這個課題在19世紀末首先取得突破。按發明時間先後，第壹項是制取氰氨化鈣（CaNCN）。1898年，德國夏洛登堡（Charlottenburg）工業學院教授弗蘭克（Adolf Frank，1834-1916）和他的助手羅特（F．Rother）、卡羅（N．Caro）博士發現碳化鋇在氮氣中加熱後生成氰化鋇和氰氨化鋇，接著發現碳化鈣在氮氣中加熱到1000℃以上也能生成氰氨化鈣：
CaC+N2══CaNCN+C弗蘭克於1900年發現以過熱水蒸氣水解氰氨化鈣可產生氨：
CaNCN+3H2O══CaCO3+2NH3↑這樣，空氣中遊離的氮被固定成氰氨化鈣和氨的含氮化合物，均可用作肥料。於是1904年在德國建立了第壹個工業生產裝置，1905年意大利也建起工廠，隨後在美國、加拿大相繼建廠。到1921年，氰氨化鈣的世界產量達每年50萬噸。但是從此以後停止建造新工廠，因為由氫和氮直接合成氨的工業興起了。
第二項是氮氣和氧氣直接化合，生成氮的氧化物，溶於水後生成硝酸和亞硝酸，但也很快被合成氨的工業排擠。
第三項就是將氫氣和氮氣直接合成氨。
氨氣，又稱阿摩尼亞（ammonia）氣。這個詞來自古埃及太陽神Ammon（也拼寫成Amon或Amen）。這是由於在古埃及Ammon神殿旁堆積著朝拜人騎的駱駝排泄的糞便和剩余的供品，經過長時間變化釋放出來含氨的氣體。在自然界中任何壹種含氮有機物在沒有空氣的情況下分解時就產生氨。這種分解作用是由於受熱或受細菌的作用發生的。在馬廄裏和下水道裏可以檢查到刺鼻臭味的氨。
1774年英國化學家普裏斯特利（Joseph Piestley，1733-1804）加熱氯化銨（NH4Cl）和氫氧化鈣（Ca（OH）2）的混合物，利用排汞取氣法，首先收集到氨氣，稱它為堿空氣（alkalineair）。他已認識到氨氣的水溶液具有堿性。由於氨易溶於水，所以采用排汞取氣法收集。當時他把壹切氣體物質都稱為“空氣”。
1784年法國化學家貝托萊（Claude Louis Berthollet，1748-1822）分析了氨氣，確定它是由氮和氫組成的。
最初的氨是來自煉焦工業副產的氨水，因為煤裏面含有2%的氮，在煉焦過程中，壹部分氮（約20%~25%）轉變成氨，含在煤氣中，用水把它洗出來，就是粗氨水，含氨不過1%，人們直接把含氨的煤氣通入硫酸，制得硫酸銨（（NH4）2SO4），作為肥料。
自從19世紀以來，很多化學家試圖由氮氣和氫氣合成氨，采用催化劑、電弧、高溫、高壓等手段進行試驗，壹直未能成功，以致有人認為氮氣和氫氣合成氨是不可能實現的。這是因為氮氣和氫氣化合成氨是可逆反應：
直到19世紀，在化學熱力學、化學動力學和催化劑等這些學科取得壹定進展後，才使壹些化學家在正確理論指導下，對合成氨的反應進行了有效的研究。
取得成功的是德國化學家哈伯（Fritz Haber，1868-1934）。他在1901-1911年間對氮氣和氫氣直接合成氨進行了不懈地研究，哈伯和他的學生勒羅西尼奧爾（R．Le Rossignol）以及同事們進行了兩萬多次實驗。1904年，他曾在常壓和1000℃條件下將氮氣和氫氣通過鐵，獲得0.012%（體積分數）的氨產物。盡管產物中氨的濃度太低，缺乏經濟效益，但他卻沒有停止實驗。接著根據荷蘭化學家範特荷甫（Jacobus Henricus Van’t Hoff,1852-1911）制定的化學動力學方程，哈伯計算出合成氨反應在常壓和1000℃時的平衡常數，並按法國物理學家勒夏特列（Henry Louis Le Chatelier，1850-1936）提出的質量作用定律，計算出常壓和不同溫度下氨的平衡濃度，1907年又測定了大量合成氨反應平衡的實驗數據。他通過上述工作，認識到合成氨不可能達到像硫酸生產那樣高的轉化率，於是考慮采用反應氣體在高壓下循環加工的辦法，並從這個循環中不斷將生成的氨分離出去，再配合選用有效的催化劑以取得成功。1908年哈伯申請了最初的合成氨專利，首次提出對氨合成氣進行循環的意見，還提出在高壓氣體循環中實現熱能回收的措施。1909年他又申請用鋨和鈾—碳化鈾的混合物作為催化劑的專利；1910年5月他終於在實驗室取得可喜成果。最初用鋨作催化劑，在175千克力／厘米2壓強和550℃溫度下，在氮氣和氫氣反應後的混合氣體中得到8%的氨；以後又用鈾—碳化鈾作為催化劑，在125千克力／厘米2壓強和500℃溫度下獲得10%的氨。1910年5月18日他在德國卡爾斯魯厄（Karlsruhe）（他曾是這個城市工業學院的化學教授）自然科學討論會上發表演講，並展示高壓合成氨實驗裝置，宣告合成氨新工業的前途已經開拓。
賀炳昌。哈伯及世界上第壹座合成氨廠。化學通報，1984（9）。
哈伯把成功的實驗運用到工業生產中，與德國聞名的巴迪舍苯胺和純堿工廠（Badische Anilin and Soda Fabrik（BASF））的化學家博許（Carl Bosch，1874-1940）、拉佩（F．Lappe）、米塔赫（Alwin．Mittash，1869-1953）等人進行合作。博許制成合成氨工業必需的高壓設備；拉佩解決了高溫、高壓下機械方面的壹系列難題；米塔赫研制成功用於工業合成氨的含少量三氧化二鋁和鉀堿助催化的鐵催化劑。他們於1911年在德國路德維希港（Ludwig shafen）附近的奧堡（Oppau）建立起世界上第壹座合成氨的工業裝置，設置氨的年生產能力為9000噸，1913年9月9日開工，從此完成了氮的人工固定。哈伯因此榮獲1918年諾貝爾化學獎，博許也榮獲1931年諾貝爾化學獎。
哈伯雖然創造了挽救千百萬饑餓生靈的方法，但卻又設計了壹種致人於死地的可怕武器。1915年4月22日下年5時左右，第壹次世界大戰爆發，德國將裝有氯氣的近6000個鋼瓶、約180噸氯氣打開散向面向守衛在比利時伊普爾城防線的加拿大盟軍和法裔阿爾及利亞軍隊，造成1.5萬人傷亡，其中5000人死亡，這是有史以來第壹次把化學武器用於軍事進攻中，是哈伯策劃的。他的妻子伊梅瓦爾（Clara Immerwahr）是壹位化學博士，曾懇求他放棄這項工作，遭到丈夫拒絕後用哈伯的手槍自殺。為此，哈伯遭到後人的譴責和唾罵。