天使与魔鬼（上）

王震元

伊普雷的毒雾

1914年，第一次世界大战爆发。

在比利时的弗兰德省，有一座名叫伊普雷的小镇，该镇的西南方有一块高地，一战期间曾被协约国军队抢先占领。这块高地的战略意义十分重大，虽然德军多次组织大兵团发动猛烈攻势，但因遭到协约国军队的顽强抵抗而始终未能奏效。

1915年4月22日，伊普雷小镇气候宜人，阳光和煦。特别是到了傍晚，微风从北面——德军防线背后，经过高地吹向附近的朗格马克村，使驻守在那里的协约国士兵们感到分外舒适。他们并没有意识到，一场毁灭性的灾难正在逼近……

就在距离前沿阵地不远的战壕里，潜伏着德国陆军第23和第26军团的4个师。他们已经守候了整整一天。现在风向变了，时机成熟！

当日17时整，3枚红色信号弹划破长空，这是高射炮阵地发动攻击的信号。与此同时，驻守在朗格马克村的协约国士兵看见两股黄绿色的云团从敌军防线升起，犹如波涛汹涌，向前逐渐合拢成一股蓝白色的烟雾。

德国化学家哈伯

原来，在长约6千米的前沿阵地上，德军用沙袋和钢筋混凝土构筑了一些特殊的掩护炮位。此时，德军士兵们正在打开掩护炮位里的6000个钢瓶。这些钢瓶中装着液态氯，压力一减，瓶中的液态氯就与空气接触，立即气化。被排放出的氯气带着嘶啸声，形成一股浓密的云团。空气中，氯气的含量只要达到1/1000即可致人于死地。此时，160吨的氯气正升腾而起，从低空随着微风飘向协约国军队的阵地。毒气战开始了！

不到1分钟，德军排放的氯气就冲过了第一道防线，将协约国军队的几万名官兵都卷进烟云之中。几秒钟后，在氯气的作用下，官兵们或是手伸向空中乱抓或是压住喉咙四散奔跑……而此时，德国步兵却早有准备地戴着用水打湿的纱布和棉花制成的防毒面具，小心翼翼地尾随着氯气波向前涌动。当晚，德军就突破了协约国军队坚守数月的防线……其实4月13日，一名被俘的德国列兵耶格尔就向协约国军队统帅部披露过德军的这一计划，可惜未被重视。

这场毒气战共造成大约5千名协约国官兵死亡，1万人受伤（他们中50%后来都变成了残疾人）。事后，一名军医对死者进行尸检后作了这样的描绘：死者的脸、颈部，以及手部明显变色。打开死者胸腔，可见两叶肺肿胀。搬动遗体时，死者肺中渗出大量淡黄色带泡沫的分泌液。据这名军医称，这种死亡是由于“空气饥饿”造成的，或者说是“被淹死在自己的分泌物之中”。

哈伯实验室使用的高温高压合成氨反应器

早在1899年，荷兰《海牙宣言》就明文规定：“各缔约国禁止使用专用于散布窒息性或有毒气体的投射物。”德国也是缔约国之一，但德军却公然挑衅国际公约，造成了严重的人道主义灾难。

实施一场毒气战除了离不开强大的化学工业支持外，还需要化学家的精心指导。德国化学家弗里茨·哈伯在所谓的“爱国心”驱使下，就充当了这个被称为“战争魔鬼”的角色。更令人不可思议的是，这个“战争魔鬼”后来竟荣获了1918年诺贝尔化学奖。此事说来就话长了……

克鲁克斯的“危言”

19世纪，德国黑森公国的化学家李比希注意到，达姆施塔特市郊的庄稼正在逐年减产。农民们都说，土地越来越贫瘠了，哪能指望好收成呢？眼看土地就要荒废了！

“要是能给土壤增加一些营养，庄稼不就可以丰收了吗？”李比希说。“先生，这您就不懂了，我们庄稼人祖祖辈辈都是这么种地的，”一位农民反驳道，“您这么说会闹笑话的。”

但是李比希早就立志将化学应用于农业，这可不是在说笑话。他查阅了大量资料，发现中国、印度等国的农民，为使庄稼丰收，不断给土地施用人畜粪便。他推断，这一定是由于粪便中含有能使土壤肥沃的成分，以及庄稼生长所需要的物质。但是在欧洲，人们在观念上无法接受。“耕地到底缺乏什么？庄稼的生长又需要什么？”李比希暗自鼓励自己，“我一定要弄个明白！”

合成氨相关诺贝尔奖获得者：Fritz Haber、Carl Bosch、Gerhard Ertl（从左到右）

李比希进行了大量实验，终于发现氮元素是植物生长所必需的元素之一。植物通过吸收二氧化碳及水中的碳、氢、氧，通过光合作用产生淀粉、纤维素和脂肪。而构成生命的基础——蛋白质，除了碳、氢、氧外，一般还含有16.5%的氮元素。于是他进一步指出，植物每年从土壤中带走大量的氮元素，由于没有及时得到补充，因而欧洲的土地正在年复一年地贫瘠下去。因此，他号召农民们在土壤中施加含氮的化合物当肥料，并亲自从智利运来了含氮的硝石（硝酸钠）。但是，科学的思想不是一下子就能被大家接受的。当时，谁也不愿意花钱买“石头”撒到土地中。第一批硝石几乎没人买，最终只好倒入海中。

事实会教训人，时间更会做出正确的判断。没过多久，农民们通过对比终于认识到往土壤里补充氮元素的重要性。于是，大家就争着去买硝石。

但是，到了1895年，英国著名的光谱学家克鲁克斯却发表了震惊世界的演讲。他说：“位于大洋彼岸的智利硝石矿藏有限，资源将日益枯竭。一旦没有了智利硝石，那么欧洲土地中的氮元素必将急剧减少，收成会再次一落千丈……”于是，他向化学家们发出紧急呼吁：全力以赴解除“氮荒”威胁。

1918年诺贝尔奖化学奖得主弗里茨·哈伯（Fritz Haber）的获奖证书

克鲁克斯的言论似乎有点“危言耸听”。因为氮气在空气中的体积占4/5，总量高达4千万亿吨（4x1015/吨），平均每平方千米上空的氮气就有1000万吨之多。但是，除了某些豆科植物的根瘤菌能将空气中的氮转化为化合物外，其他如水稻、小麦等主要农作物都无法直接吸收氮气。

于是，哈伯又登场了。这一次他将扮演什么角色呢？

哈伯的杰出贡献

利用氮和氢作为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题。研究表明，农作物只能吸收、利用包含在化合物中的氮元素。而氮气分子是由两个氮原子构成的，其分子式为N2。这两个氮原子之间形成3根结合很牢固的共价键（N≡N）。所以要把氮气转换为氮的化合物，首先必须把共价键“拆开”，化学上称为氮原子的“活化”，这需要很大的能量。虽然提高温度可以增加活化能，但由于这是一个“可逆反应”，因而活化的同时又促进了氨的分解。所以一百多年来，氨气的合成实验均以失败告终。

19世纪下半叶开始，科学家们逐渐发现，使用催化剂可以降低氮的活化能，从而提高压力，使反应向氨的合成方向发展。

法国化学家勒夏特里虽然是第一个试图进行高压合成氨实验的人，但他的实验由于在氮氢混合气中混入氧气引发爆炸而半途而废。当时，年仅23岁就被柏林大学破格授予化学博士学位的哈伯，却在综合前人研究成果和失败教训的基础上迎难而上，成功设计出一套适合于高压实验的装置和合成氨的工艺流程。

大致的工艺流程如下：在炽热的焦炭上方吹入水蒸汽，获得几乎等体积的一氧化碳和氢气的混合气体。一氧化碳在催化剂的作用下，进一步与水蒸汽反应，生成二氧化碳和氢气。然后，将混和气体在一定压力下溶于水，这时二氧化碳被吸收，就制得了较为纯净的氢气。同样，将水蒸汽与适量的空气混合后，通过炽热的炭，空气中的氧气和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收掉，从而得到了所需要的氮气。

1909年，哈伯凭借锲而不舍的精神，坚持不懈地探索、计算和实验，终于使高压合成氨的实验获得了重大突破。他在600℃高温、200兆帕高压条件下，用锇作催化剂，以电解水生成的氢和大气中的氮为原料，成功得到了浓度为8%的氨。这就是科学史上最初的“哈伯法合成氨”。

当时德国最大的化工企业——巴登苯胺和纯碱制造公司的高层，迅速察觉到了哈伯该项发明的重大价值，于是指派化工专家卡尔·博施与他合作。博施认为，哈伯使用的催化剂金属锇难以加工，因为它与空气接触时，易转变为挥发性的四氧化物。另外，这种稀有金属的价格极其昂贵，必须寻找便宜实用的催化剂来替代。于是，哈伯建议改用铀为催化剂。但铀对氧气和水都很敏感，其催化效果很容易丧失。于是他们经过2万多次实验，测定了2500多种不同的配方，终于成功研制出了含铅镁促进剂的铁催化剂。当然，开发适用的高压设备也是工艺的关键。由于经受高压的低碳钢反应器很容易受到氢气的腐蚀，因而博施决定改用合金钢代替低碳钢，解决了这个难题。

1913年，巴登苯胺和纯碱制造公司建成了世界上第一座合成氨工厂，并很快将日产量提高到了30吨。这种经过改进，使合成氨实现工业化的方法被称为“哈伯-博施法”。

合成氨的大规模生产具有十分重大的意义。它使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，加速了世界农业的发展。更值得人们关注的是，1911年的一天，合成氨方法初获成功，德皇威廉二世就屈驾亲临小城卡尔斯鲁厄的哈伯实验室。此举对哈伯后来的命运又产生了怎样的影响呢？

（未完待续）