一战德国如何“从空气中制造炸药和粮食”,消除饥饿也让无数人亡

1.受争议的诺贝尔奖

“赞扬他的人说,他是天使,为人类带来丰收和喜悦,是用空气制造面包的圣人。诅咒他的人说,他是魔鬼,给人类带来灾难、痛苦和死亡。”

1919年冬,瑞典皇家科学院决定授予德国科学家弗里兹·哈伯诺贝尔化学奖。消息一出,立即激起了轩然大波。大量的战争受害者走上街头示威游行表示抗议。著名的科学期刊《自然》发表了评论文章进行抨击:“哈伯将其聪明用到了战争和杀人方面……这永远是人类的耻辱,德国人的耻辱”,美国《纽约时报》言辞更加激烈,说瑞典皇家科学院将殊荣授予了战争罪犯和放毒者。

一战德国如何“从空气中制造炸药和粮食”,消除饥饿也让无数人亡

上图_ 弗里茨·哈伯(1868年12月9日~1934年1月29日),德国化学家

尽管如此,瑞典皇家科学院还是顶住压力。哈伯拿到了诺奖,但在同时,他也被列入了战犯名单。

诺贝尔自然科学奖不像和平奖、文学奖涉及意识形态,很少因为社会政治问题受到非议。这次诺贝尔化学奖出现该情况的原因,一是获奖者哈伯在一战中为德军致命毒气,非人道地杀伤了士兵和平民;二是和他的获奖成果——合成氨技术有关。

合成氨技术被美国科普作家托马斯·黑格称为“空气炼金术”,它能够从空气中分离出可以利用的氮元素。诺贝尔奖评审委员会认为这项技术使得化肥得以大批量生产,是“从空气中制造了粮食”,从而解决了亿万人的吃饭问题。而反对者认为,这项技术让德国可以“从空气中制造炸弹”,引发了大战,让数千万人丧失生命。

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上图_ 草莓缺氮的症状

2.氮元素

氮是植物是植物生长的必备元素,是植物体内的蛋白质的主要成分,没有氮,就不能形成蛋白质。摄取氮元素不足的农作物矮小、细弱、叶片枯黄、结实少甚至不结实。

空气中氮气含量高达78%,但是氮气是一种非常稳定的气体。氮气中的两个氮原子共用三对电子,构成牢固的“化学键”,将两个原子牢牢地锁在一起,使得化学反应无法进行。这就导致了空气中的氮元素无法直接被农作物吸收利用。

只有在雷雨天,闪电巨大电流的才能撕裂氮气分子,从而让空气中的氮和氧结合,变成一氧化氮,再变成二氧化氮。二氧化氮溶入雨水,进入土壤,变成植物可以吸收的硝酸盐。这种将空气中的氮气变成氮肥的化学反应称为“固氮”。

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上图_ 氮在自然界中的循环氮在自然界中的循环

自然界中还有一类细菌,也有固氮作用,称为固氮菌。固氮菌具有一种叫固氮酶的化学物质,将氮气转化为氨。常见的固氮菌寄生在豆科植物的根部,使得豆科植物的根部肿大,形成“根瘤”,因此又被称为根瘤菌。

人类进入农耕文明以后,需要大规模地种植农作物。大自然固化的氮无法保障大片的农田丰收。人类就通过施人畜粪便等农家肥的方法给农田补充氮。在旧时农村,农家肥非常宝贵。古人屎尿都要憋着回家,浇到自家地里。这就是所谓的“肥水不流外人田”。

进入工业文明之后,人口大幅度增长,农家肥已经无法满足农业需要了。欧洲人开始开采硝石矿作为化肥,给农作物补充氮元素。硝石矿的主要成分是硝酸钾或硝酸钠,富含植物能够利用的化合态氮。

不仅农作物需要氮,制造炸药也需要氮。

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上图_ 黑火药

十八世纪以后,火器取代冷兵器成为战争主角。炸药生产能力成为一个国家军力强盛的关键。

早期的炸药是中国发明的黑火药。黑火药的成分是“一硝二硫三木炭”。硝就是硝石矿。

工业的发展,推动着炸药技术的进步。炸药的种类也日益增多,硝化甘油、TNT等新的炸药被合成,投入战场,将建筑、钢铁、血肉撕碎炸毁。

这些新型炸药多带有硝基,生产制备仍然离不开硝石。

战争需要硝、农业生产也需要硝,硝石成为了一种重要的战略资源。

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上图_ 硝石

3.硝石矿

17世纪后期开始,欧洲列强在印度恒河的旧河道上发现了硝石矿,进行了掠夺性的开采。到了19世纪中叶,印度的硝石资源基本枯竭。还好,殖民者又在南美洲智利发现了更丰富的硝石矿。在智利和秘鲁边界的安托法加斯塔大区,硝石矿带长达700多公里,宽20-30公里。智利的硝石被源源不断地运往欧洲。到了20世纪初,每10吨智利硝石,就有7吨被送上驶向欧陆的货轮。

19、20世纪的西方,马尔萨斯的人口资源理论大行其道。马尔萨斯认为,人的数量以几何级数不断地增加,而自然资源是有限的。最终有限的资源将被大量的人口耗尽,人类文明将走向崩溃。智利的硝石矿虽然多,毕竟还是不可再生资源,终究会有用尽枯竭的一天。所以欧洲各国纷纷开展研究,寻求替代硝石矿的方法。

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上图_ 普鲁士 (德意志的统一)

4.德意志的命脉

其中,最为积极的当属德国。

1870年代,德国完成了统一,统一后的德国拥有4100万人口,是欧洲人口最多的国家,对粮食、对化肥的需求最为迫切。德国还是一个具有军国主义传统的国家,容克贵族和工业资本家迫切地渴望扩张,渴望重新瓜分世界。物欲刺激着战争,而战争又需要炸药。

所以硝石作为化肥和炸药的重要原料,就是德国的维他命。而大部分硝石又产自智利。从智利到德国需要远渡重洋。德国的对手英国拥有世界上最强大的海军。英国海军一旦对德国进行封锁,切断了硝石航线,无异于扼住了德国的咽喉。

所以德国从学术界到政府到财团,都对替代硝石的方法无比重视。德国科学家们将目光投向空气的氮气,他们尝试各种方法,使尽浑身解数,实现人工固氮,财团和政府则对这方面的研究,不吝倾注巨资予以支持。

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上图_ 图为描绘早期火药制作过程中意外爆炸事故的绘画作品

5.“开拓工业的新途”

研究在1900年有了进展。德国莱比锡大学化学教授弗列德里希·奥斯特瓦尔德发现,使用铁丝做催化剂,将氮气和氢气一同加热,能够合成一定量的氨气。而氨气则很容易地合成尿素和硝铵,成为化肥和炸药的原料。

德国化工寡头巴斯夫公司对这个发现表示出了极大的兴趣,立即买下了这个实验成果,并投入大量资金,聘请各路专家进行进一步地升入研究,期待合成氨可以尽早应用在工业生产中。

弗利兹·哈伯就在此时接手开发合成氨技术的工作。

哈伯1868年生于普鲁士西里西亚的布雷斯劳(二战后被割给波兰)。父亲是一个做化学试剂生意的犹太商人。哈伯先后在柏林、海德堡、苏黎世学习深造。1906年成为卡斯鲁尔工业大学教授。40岁不到的他,就已经在化学界闻名遐迩。

奥斯特瓦尔德的发现离工业化生产还有很大的一段距离。最大的难题就是合成的氨气浓度很低,制成效率不高。

针对这种情况,1904年到1908年,哈伯进行了潜心研究。他提出合成氨反应是一种可逆反应,氢气和氮气在生成氨气的同时,氨气也在不停地分解成氢气和氮气。只有控制好适当的温度和压强,使得化学反应处于恰好的平衡点,才能得到理想浓度的氨气。对此,哈伯和物理化学家能斯特合作,测定了在常压和30个大气压下,0℃-700℃之间合成氨反应的氨平衡浓度,获取了详细的平衡数据。

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上图_ 哈伯(左)与爱因斯坦在柏林

测定出氨平衡浓度后,哈伯又去寻找合适的催化剂。有了催化剂就可以尽可能地降低化学反应所需的温度和压力,节约工业生产的成本。哈伯进行了2万次试验,最终取得了重大的突破。他用铀和碳化铀做催化剂,在12.5个大气压下,用500℃的温度,制取了10%浓度的氨气。至此,人工固氮有了大规模工业化生产的条件。1910年5月18日,在卡斯鲁尔自然科学学会上,兴奋地宣布“新工业的前途,已经得到了开拓!”

哈伯解决了问题的关键。在此基础上其他工程师和科学家又做了进一步的研究和创造。1910年7月波希研制出了高压容器,拉普改进了化工机械使之能够适应高温高压环境,米泰西研制出了低成本的铁催化剂。

1913年9月,世界上第一台工业合成氨设备在德国路德维希港投入运行,设计能力为年产9000吨的氨,九个月后,生产能力扩大9倍,达到了7.5万吨。

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上图_ 一战的爆发

6.科技与战争

合成氨技术的发明使得德国统治阶级欣喜欲狂。他们具备了“从空气中制造粮食和炸药”的能力,有足够的底气和英法叫板。于是第一次世界大战的战火被点燃,15亿人被卷入战争,1000万人失去生命。

哈伯在战争中被德国狂热的民族主义情绪洗脑。德皇威廉二世的亲自接见使他感恩戴德,誓报君恩。他积极主动地投入战争,要为他的德意志祖国奉献一切。他出任化学兵工厂厂长,用合成氨生产的氨气制造炸药。这些炸药源源不断地被输送到前线,在凡尔登、马恩河、索姆河让无数的血肉之躯灰飞烟灭。

哈伯的更大的战争责任还是他主导了德军的化学战。

1915年,德军和英法联军在比利时伊雷普对峙数月,陷入僵局。哈伯又主动向德军总参谋部提出使用剧毒的氯气为武器改变战场形势,并得到了批准。4月22日,哈伯亲赴前线,指挥德军一个工兵团,向英法军队投放了180吨的氯气。英法联军士兵看见黄绿色的浓雾不知所措,很快便咳嗽、窒息、抽搐而死。是役,英法联军中毒1.5万人,死亡5000人,战场横七竖八地躺满了扭曲变型的尸体,惨不忍睹。伊雷普战役是第一场大规模的现代化学战。

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上图_ 一战中,哈伯(左二)指导德军士兵使用氯气(毒气)弹

之后,哈伯又为德军研制出了毒性更强的光气和芥子气,投入战场。吸入后可引发肺水肿,让中毒者每一次呼吸都带着剧痛,最后窒息死去。芥子气使人体的接触部位起泡溃烂,杀伤率高达88%,被称为毒气之王。一战中化学武器造成10万死亡,130万人中毒,78万人伤残,是人类历史上的一大惨剧。哈伯因此也被背上了骂名,爱因斯坦说他是“科学界败类,丧心病狂的走狗”。他的妻子也因此自杀。

合成氨技术和化学武器还是没能挽回德国的败局。一战以德奥同盟国战败告终。哈伯也被协约国列入了战犯名单。但由于各国心怀鬼胎,内斗不断,战败国战犯都未受到审判,哈伯逃过一劫。战后,哈伯还设法从海水中提炼黄金,以减轻德国的战争赔款压力,但这项研究没有获得成功。

令人意想不到的是,哈伯为之竭忠尽智奉献半生的德意志祖国最后居然无法容留他。1933年,希特勒上台,开始迫害犹太人。犹太商人出身的哈伯被迫逃亡远走他乡。1934年1月哈伯在瑞士心脏病突发病逝。是非功罪由后人评说。

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上图_ 希特勒 与 纳粹党

7.余论

合成氨技术对于人类最大的贡献就是极大地提高了化肥生产率,从而大幅度地提升了粮食作物产量。化肥尿素的是有机肥的10倍以上,25公斤的化肥就可以满足1亩农田的需要。1个占地10公顷的合成氨厂,一年就可以固化3000吨的氮,可以浇灌千万亩农田。可以说,没有合成氨技术,地球就无法养活现在的70亿人口。从这一点出发哈伯可谓是功在当代,利在千秋,得到诺奖,当之无愧。

但主导研发合成氨技术的德国容克贵族和资本家立项研制合成氨的目的,是要让德国成为独霸世界的超级帝国。正是出于这种目的,世界大战的战火被点燃。数千万人罹难,上亿人流离失所,欧洲大陆一片废墟。

科学技术是第一生产力,科技发明构筑了人类现代文明恢弘壮丽的宏伟大厦。但这大厦背后却是白骨如山、血流成河。

人类的发展就一定要以尸山血海为代价吗?

作者:大狮子 校正/编辑:莉莉丝

参考资料

〔1〕《哈伯及世界上第一座合成氨厂》 贺炳昌 化学通报 1984.9

〔2〕《合成氨、化学武器和哈伯》 毛华茂 化学教学 1997.2

〔3〕《战略性新兴产业是如何育成的?哈伯-博施合成氨法的发明与应用过程考察》 周程、周雁翎 科学哲学技术研究 2011.1

文字由历史大学堂团队创作,配图源于网络版权归原作者所有

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