壹項關系國計民生的技術
——20世紀上半葉化學肥料的發明與應用俗話說:“莊稼壹枝花，全靠肥當家。”但是，在20世紀之前，農作物所需要的氮肥，來源卻是十分有限的。
19世紀初，在智利的沙漠地區，人們發現了壹個很大的硝酸鈉礦，於是，很快得到了開采，到19世紀中葉，世界上所使用的氮肥就主要來自智利的這壹礦床。但是，由於天然硝石的產量畢竟極其有限，智利的這個礦也只夠開采幾十年，所以，當時在世界上十分珍稀。除了稀少之外，從美洲到歐洲遙遠的距離也是壹個不利的重要原因。
到了19世紀後期，隨著煉焦工業在歐洲各國的逐漸興起，人們又發現，用煉焦的副產品氨為原料，可以制成硫酸銨，作為氮肥來使用，這樣，廉價的煉焦副產品又逐步成為氮肥的另壹個來源。但是，還是遠遠滿足不了需要。當時農業上所使用的氮肥主要來自有機物的副產品，比如：人和畜的糞便、花生餅、豆餅、臭魚爛蝦及動物的下腳料等等。除此之外，還有極少量的氮素來自雷雨放電而形成的氮氧化物。
隨著農業生產的發展和地球人口的不斷增加，天然氮化合物的數量已越來越無法滿足農作物生長的需要，世界各國越來越迫切要求建立規模巨大的生產氮化合物的工業。
1898年，英國物理學家克魯克斯，最先意識到化肥對人類的重要性，他在布裏斯特召開的大英科學協會上發表演說，在列舉了大量事實之後警告人們說：“由於人口增加，土地變得狹窄了，長此下去，糧食不足的時代就會到來，解決的辦法是必須找到新的氮肥。”
（1）向空氣要氮肥
新的氮肥從哪裏尋找?科學家們自然而然地想到了空氣。科學家們已經知道，在地球周圍的空氣中，氮氣占了相當大的壹部分，約為79％，可以說是取之不盡、用之不竭。但是，雖然空氣中有大量的遊離氮，但氮的化學性質卻很不活潑，要直接利用它還是很困難的。科學家發現，在自然界常溫狀態下，遊離氮只能被壹種在豆科植物上生長的細菌所直接利用，這種菌叫做根瘤菌。根瘤菌有壹種絕妙的本事，即它具有固氮的功能，它能夠在常溫下將空氣中的氮氣轉化成自身所需要的氮肥。於是，向空氣要氮肥成了科學家們追求的目標。
克魯克斯的警告，首先引起了德國的重視，因為德國所瓜分的殖民地很少，糧食必須自給自足。和其他歐洲國家的科學家壹樣，德國的化學家也在想使空氣中的氮氣同氫氣直接化合得到合成氨，並使它變成化肥硫酸銨。然而，這並不像使氧氣和氫氣化合生成水蒸氣那樣簡單，許多化學家都認為難以進行，連著名的化學家李比希也認為那是不可能的。
但是，李比希的結論的確有些過偏，人類進入20世紀後，科學家逐漸要把這壹切變成現實，已經研制出了幾種將空氣中的氮作為化合物提取的空氣氮固定法。雖然不太實用，但卻為將來的發展打下了基礎。
1900年初，萊比錫大學的奧斯特瓦爾德教授經過多年對催化劑的研究之後宣稱：氨已經合成成功。他用鐵絲做催化劑，將氨分解為氮氣和氫氣，反過來又使容積6％的氮氣和氫氣合成氨。這的確是可能的，如果使用催化劑也許能夠進行從前所不可能的氮和氫的化合。為此，他向德國巴登苯胺純堿公司(BASF化學公司)請求援助資金100萬馬克。
但是，還是有許多科學家感到懷疑，在眾多的懷疑者中，有壹個人是經過認真思考而提出疑問的，他就是剛進入BASF公司工作壹年的青年工程師博施，此時他年僅26歲。
博施知道奧斯特瓦爾德合成氨成功的方法後，他重新進行了這位大科學家的實驗，結果他發現，那個所謂合成的氨根本不是合成的，實際上是因為氨分解實驗時使用鐵絲而出來的，他思考再三，不知是否應該指出這位大科學家的錯誤，最後，他鼓足勇氣，公布了他的研究成果，正式指出了奧斯特瓦爾德的錯誤。
對於許多著名的科學家來說，博施確實是無名之輩，有人指責他：“新參加工作的人懂得什麽?”
但是，隨後壹些科學家重復進行了實驗，結果也證明了博施的正確，他們開始對博施刮目相看，博施由此而名聲大振，從此，他對空氣中氮的固定法產生了興趣。
1902年，科學家弗蘭克和卡勒把碳化鈣用電爐加熱到1000℃以上，使它同空氣中的氮化合而制成石灰氮，但是，這並不意味著實現了人工合成了氮肥的夢想，因為制造碳化鈣必須把生石灰和焦炭裝進2300℃以上高溫電爐，這樣，消耗了大量的電力，因而不太實用。所以，也就沒有從根本解決農業上所需要的化肥問題。
1903年，伯克蘭和艾德又研制出另外壹種固定氮的方法，他們采用在空氣中放出電火花的方法，使空氣中的氮與氧化合，生成硝酸，進而生成硝酸鈣，但是，同樣的問題是：這種方法仍需要大量的電力。
奧斯特瓦爾德在公布了他的實驗結果後，博施等人指出了他的錯誤，最後，他自己也認識到了自己的錯誤。他潛下心來，繼續深入地進行催化劑的研究。
奧斯特瓦爾德所在的萊比錫大學，早在1897年1月就建成了大型實驗室，所以，他有深入研究不可缺少的條件。他同研究員壹起進行催化劑的研究。有壹次，他們發現，僅用壹千萬分之壹克的膠質狀鉑催化劑，就能使氧化氫分解速度提高100萬倍。他堅信：催化劑對於工業生產壹定具有重要的作用。很久以來，對什麽樣的化學反應用什麽樣的催化劑效果最好?什麽樣的催化劑結構對化學反應起加速或延緩作用?這些問題人們都不了解，全是憑經驗進行摸索。奧斯特瓦爾德進行了理論研究，他給催化劑下了這樣的定義：
“化學反應尚未出現最終生成物時，能使反應速度發生變化的物質。”
他還形象地把催化劑比喻為“機械潤滑油”，它並不給予機械能量，卻能起到減少摩擦的作用。
奧斯特瓦爾德開辟了作為現代化學技術標誌之壹的催化劑在工業上利用的道路，為人工合成化肥鋪平了道路，沒有他的催化劑理論，別人以後也不會合成化肥。
（2）哈柏功不可沒
從BASF公司的所在地路易港溯萊茵河而上，有壹個地方叫卡爾斯魯厄，此處有壹所著名的大學叫卡爾斯魯厄工程學院。該學院的化學教授弗裏茨·哈柏，此時也因深受克魯克斯警告的影響，開始致力於氨合成的研究工作。
1902年初，為了研究合成氨理論，哈柏去美國進行科學考察，他專程參觀和訪問了設在尼亞加拉的壹座模仿自然界雷雨放電的生產固定氮的工廠。通過參觀，使他對固定氮為氮氧化物和氨的研究產生了濃厚的興趣。返回德國後，他便壹頭鉆進了實驗室，開始了這壹劃時代的研究工作。
1904年，維也納的兩位化工企業家——馬古利斯兄弟，意識到這項工作的偉大意義，慕名來到卡爾斯魯厄工程學院，正式與哈柏簽訂了研究氮氫元素合成氨的合同。從此，哈柏與其學生和助手全力以赴地投入了氨合成的試驗研究。
哈柏研究氨的合成理論，是從可逆反應的平衡條件方面入手的。哈柏認為，僅有催化劑的知識是不夠的，需要有對化學反應的新的理解——化學平衡理論，這個理論的核心就是：原料物質壹般不會全部成為生成物質，同時，生成物質也會發生逆反應。在壹定的反應條件下，即濃度、溫度、壓力之下，這種正逆反應是平衡的。
哈柏認識到，若根據這種思想調整反應條件，從前認為不可能的氨合成也許是可能的。哈柏首先想到，也許高溫會進行這個反應。他按照他的思路開始進行實驗，但是，結果卻出乎意料，當溫度升高到1000℃時，氨的產量才不過是原料體積的0.012％，這還不如低溫度時的產量。但是，降低反應溫度時，反應卻又變得十分緩慢。哈柏認為，為了使化學反應加快，需要有適當的催化劑。
從1904年4月至1905年7月，這壹年多時間裏，雖然哈柏他們夜以繼日地堅持在實驗室裏做著各種枯燥的試驗，但幾乎每次試驗的結果都令人失望。於是，馬古利斯兄弟見無利可圖，便取消了對這個項目的資金支持，這樣，哈柏就陷入了極度窘迫的境地。
與此同時，在柏林大學研究化學平衡理論的瓦爾特·赫爾曼·能斯特教授，也已投入了合成氨理論的研究，他親自制造高壓釜，進行高溫、高壓實驗。經過實驗，他發現哈柏的實驗結果有問題，數字過大，實際上僅0.0032％，還要再小壹個數量級，這就證明了哈柏的實驗結果是不可行的。
瓦爾特·赫爾曼·能斯特為了使它的研究能夠實現工業化，請求某個有名的化學公司制造設備，雖然它的壓力並不算太高，但是，這個公司還是難以制出能耐住這樣高溫、高壓的設備，於是，他犯了壹個極大的錯誤，打消了實現工業化的念頭，而埋頭於實驗室研究。
哈柏雖然在計算上有錯，但在與能斯特的這場爭論中，弄清了要使產量進壹步提高就要對原料氣——氮氣和氫氣施以高壓、降低溫度，並使用催化劑。
能斯特灰心了，哈柏卻沒有灰心，他從瓦爾特·赫爾曼·能斯特終止的地方開始了新的實驗。此時，他不僅已經熟悉這個實驗的理論，而且具備了成功的基礎。
哈柏等人在化學平衡理論的指導下，開始壹點壹點地、耐心地進行試驗，他們實驗在什麽樣的壓力和溫度下產量能達到百分之幾。他們還下大力氣尋找最佳的催化劑，曾把能夠禁受數百個大氣壓的反應容器鑲嵌在槍彈殼裏，用阿烏埃爾社團的瓦斯燈公司提供的鉑、鎢、鈾等稀有金屬，竭力尋找新的催化劑。
哈柏就是在這樣的困境下，冒著高溫、高壓的危險繼續試驗。正當哈柏的試驗研究屢遭失敗而壹籌莫展的關鍵時候，法國科學院院刊上報道了法國化學家采用高溫、高壓合成氨，而使反應器發生爆炸事故的消息。哈柏知道後深受啟發，他果斷地改變了試驗條件，特別是提高了反應壓力，並改進了工藝，終於取得了令人振奮的進展，合成氨的產量顯著增加了。
1907年，哈柏等人選擇鋨或鈾為催化劑，在約550℃和150至250個大氣壓的不尋常的高壓條件下，成功地得到了8.25％的氨，第壹次成功地制取了0.1公斤的合成氨，從而使合成氨有可能邁出實驗室階段。這無疑是壹個具有實用價值的突破。而在此時，能斯特以50個大氣壓、685℃，以鉑粉或細鐵粉、錳做催化劑，卻只取得了產量為0.96％的氨。哈柏的實驗比能斯特的實驗幾乎高出8倍。
這壹勝利極大地鼓舞了哈柏和他的助手們，他們預感到合成氨的試驗研究已進入了實用化階段，於是，又加緊對高溫、高壓合成氨工藝的研究。經過艱苦卓絕的試驗研究，他們取得了壹系列第壹手的實驗數據，大大加快了試驗研究的步伐，不斷取得令人振奮的新進展。
哈柏的科研成果極大地震動了歐洲化學界，化工實業界人士紛紛購買他的合成氨專利，獨具慧眼的德國巴登苯胺純堿公司捷足先登，搶先付給哈柏2500美元預訂費，並答應購買他以後的全部研究成果。但公司中很多工程師，對鋼制反應容器的赤熱程度表示不安，對如此高壓更感吃驚，因而對它的工業化持有懷疑。他們想起法國所發生的反應器爆炸的消息，擔憂地說：“昨天爆炸的高壓釜只有7個大氣壓。”言外之意，哈柏的高壓實驗條件也可能引起爆炸。
1909年，哈柏又提出了“循環”的新概念。所謂“循環”，就是讓沒有發生化學反應的氮氣和氫氣重新返回到反應器中去，把已反應的氨通過冷凝分離出來，這樣，周而復始，以提高合成氨的獲得率，使流程實用化。這壹概念的提出，可以說是合成氨邁向工業化進程中具有決定性意義的重大突破。德國政府極為重視，立即接受和采用了這個新設想。
當年7月2日，哈柏在實驗室制成了壹座小型的合成氨裝置模型，這是世界上第壹個氨合成裝置的模型。博施同他的部下米塔希壹起，作為巴登苯胺純堿公司的代表，前來接收哈柏的實驗技術和裝置。哈柏當場演示了他的合成氨裝置，這種裝置魔術般地以每小時0.08公斤的速度合成著氨。博施親眼看到了液氨滴落的情況。前來觀看的專家們***同認為，用不了多長時間，它將成為日產幾噸的設備，從而清楚地預見了它的工業化的前景。
巴登苯胺純堿公司立即買下了哈柏合成氨的專利權，並將其全部研究成果接收下來，雙方還簽訂了協議，其要點是：不管生產工藝如何改進，合成氨的售價如何下降，巴登苯胺純堿公司每售出1噸氨，哈柏分享10馬克，其收入永不改變。
1919年，瑞典科學院考慮到哈柏發明的合成氨已在經濟中顯示出巨大的作用，經過慎重考慮，正式決定為哈柏頒發1918年度的世界科學最高的榮譽和獎勵——諾貝爾化學獎，以表彰他在合成氨研究方面的卓越貢獻，從此，他躋身於世界著名化學家的行列。