制造合成氨

制造合成氨

波施接着对氮的固定问题进行研究。他研究了现有的全部有关文献后，得出这样的结论：制取氨最容易实施的方法就是通过氰氨化钡。公司根据波施的订购申请，运进了一批碳酸钡，而克朗茨师傅则制作了一台压块机，以便把碳酸钡和煤粉的混合物压制成团块。具体的实验工作是由阿尔文·米塔什博士做的，他是经鲍登施坦教授的推荐来巴登公司工作的。鲍登施坦是德国物理化学家，迈耶尔的学生。迈耶尔曾经执教于德国汉诺威技术学校，并任柏林大学教授。鲍登施坦在热分解和电化学方面做过大量的研究，并且是最早从事光化学和化学动力研究工作的科学家。

米塔什博士研究出一种制氮的新方法，而氮又是合成氨必需的原料。老办法制氮是除掉空气中的氧，也就是让氧与铜粉起作用，从而将氧去掉。这方法耗费大，而新法则便宜得多。它是把空气和氢气分别用两个管道通进来，在两种气体汇合后并形成混合气体的时刻，将其点燃，使混合气体燃烧。在这种条件下，空气中的氧便与氢相结合变成水，而氮则呈游离态留在反应器里。把利用这种方法制得的氮气，通进一个填充了碳酸钡和煤粉团块的反应器。由于反应需在1500℃的高温下进行，所以反应器是放在一个专门的炉子里加热的。但是，由于连续反应器的输氮管密封程度经受不住如此高的温度，所以气体便从反应器里漏出来，结果，反应器内的团块往往和反应前一样，丝毫没有变化。

可是，氰化钡和氰氨化钡的混合物则极易与水蒸气发生反应，结果生成氨和碳酸钡，然后把碳酸钡与煤粉混合，再压制成团块重新使用。

新法是一个相当可靠的方法，两位研究人员劳动多年的成果并没有白费，他们的设计方案被公司采纳了，公司的生产委员会决定拨出资金建造氰氨化物工厂。

这个工厂于1906年开始动工兴建，而波施的儿子恰巧在同一年出生。按照家庭的传统，长子与父亲同名，波施的祖父、父亲和他本人，现在又添上他的长子，老少四辈人的名字都叫波施。

艾丽莎由于照看小孩子，无法脱身，她未能看到工厂的建造过程，不过她丈夫把兴建的情况全都详细地讲给她听。环形转炉的炉体由16个加热室组成，每个加热室内分别装有210个由耐火砖砌成的反应器。全部反应器内可容纳的团块，总量相当于五吨的碳酸钡。根据波施的计算，氨的产量平均每昼夜应当达到500公斤以上。但是，用30个反应器生产是一回事，现在用3000个反应器生产则全然是另一回事！实际表明，氨的日产量还达不到350公斤。这个产量是太低了，甚至连成本都不够。所以，公司的经理管委会做出了暂停生产的决定，并于1908年6月正式执行。

氰氨化物工厂在生产上的失败，并没有使波施垂头丧气，他决定把自己的精力全部集中到对氮化物的研究上来。他同米塔什博士一起，开始着手研究把大气中的氮转化为化合态的氮化物究竟存在哪些途径。他们先后利用过钛、硅、氧化铝。实验结果本来颇有希望，是令人鼓舞的。然而不久才知道，法国已经有人研究出了这种工艺过程，并且已经获得专利。这样，法院便迫使巴登公司放弃这项研究。

在波施和他的同事们正忙于建造氰氨化物工厂的时候，欧洲的一批科学家却在探索使氮和氢直接化合成氨的条件。其中有奥斯特瓦尔德教授的学生瓦尔特·能斯特（德国化学家）、卡尔斯鲁厄的弗茨·哈伯。哈伯是德国著名的物理化学家和化工专家，卡尔斯鲁厄高等工业学校的教授，他和波施一起对于氮和氢直接合成为氨进行了研究。虽然这个过程最先是由能斯特提出的，但是哈伯等人的研究成果被巴登公司利用，并在路易港实现了合成氮的工业化生产。1911年哈伯担任柏林达列姆化学物理和电化研究所（现称哈伯研究所）的所长。哈伯从事的研究工作有以下几方面：化学平衡、硝基苯的电解还原、电弧放电合成氧化氮。

哈伯在电化学领域进行过许多研究。此外，他多年致力于探讨从海水中提取黄金的各种方法。在第一次世界大战期间哈伯领导了德国军队的化学兵后勤部门，同时也是采用BB作战的组织者。他认为，这样做是为了尽“自己报效祖国的天职”。1933年，哈伯迁往瑞士侨居，一年后于瑞士的巴塞尔病故。其本人在1918年因在“以元素合成氨”方法所作的贡献获诺贝尔化学奖。哈伯对于发生在氮和氨之间的平衡反应做了详尽的研究之后得出结论：氨的人工合成可以在1000℃以下进行。但是，直到瓦尔特·能斯特提出合成氨反应须在高压下进行的建议之后，波施的研究工作才取得了成果。

哈伯认为，合成反应的压力必须提高到200个大气压，装催化剂用的管子应当加厚。如果此法可行的话，那么，不论催化剂的价钱多么贵，在经济上也是合算的。

哈伯制备合成氨催化剂用的金属，都是由柏林电灯泡工厂提供的。在试用过的各种金属中，以粉末状金属锇的催化效果最好。在压力为200大气压，温度为600℃的条件下，达到氨气浓度为6%的产率。这在当时已被认为是很成功的了。

哈伯把他取得的成果介绍给他在卡尔斯鲁厄的同行——巴登苯胺纯碱公司的顾问卡尔·恩格勒教授，并建议恩格勒立刻向路易港的工厂发出生产倡议。恩格勒教授向经理管委会建议对此进行研究，因为他认为这个方法是完全靠得住的。

公司经理布隆克的写字台上放着两封信。信的内容他已背得烂熟。200个大气压！在工厂生产的条件下，要达到这么高的压力，这怎么可能呢？太没道理啦！各个车间倒是都安装着高压釜，不过釜内的压力最高也只有5个大气压，而且还发生过好几次爆炸事故呢。更何况制造这种设备的材料也都经受不住指定的各项条件。

冒这个险值得吗？需要跟专家们好好商量一下。

波施走进经理办公室，站在一旁等候着。布隆克举手示意请他坐下。“哈伯教授提出一种合成氨的生产方法，需要在200个大气压下进行。”

“温度呢？”

“600度。”

“这可是红热温度呀！这样的温度恐怕连最坚固的钢材也承受不住。”“可是他们就有这样的设备，可以实现上述过程。而且恩格勒教授本人亲眼看见过呢。”

“我们也应该有这样的设备，”波施以坚定的语调说道，“实际上很有可能这样做并非得不偿失。”

“我们在建造氰氨化物工厂上本来就已经花了不少钱啦。”波施扬起了头，他从来没有因为白白造成浪费而被任何人指责过。

布隆克安详地微笑着，“我说这些话，绝对没有指责您的意思，波施博士。对于您的才能，我一直给予高度的评价，这一点您是清楚的。但是，自从建造氰氨化物工厂失败之后，经理管委会不打算在筹建氨的生产方面再做任何新的摸索了。因此，这一次，恐怕经理管委会不会拨给您经费供您研究了。明天我们就要到卡尔斯鲁厄去，和我们一道前往的还有贝恩森博士。”

在哈伯教授的实验室里当众做了示范表演，但是，表演本身不是很有说服力，因而并不成功。尽管对反应设备事先做了细致的准备工作，可是实验刚开始不久，有一处密封就经受不住内部的压力，于是混合气体立刻冲了出来，并发出吓人的呼啸声。不过损坏的地方很快就修好了，经过几个小时的反应之后，布隆克经理亲眼看见清澈透明的液氨从分离器的旋塞里一滴滴地流了出来。但是，实验开始时遇到的挫折确实是一个严重的警告，就是说，在设计这套装置时，必须特别精确，必须采取各种措施，以避免不幸事故的发生。

实际上后来发现，爆炸事故完全不是偶然的现象。大家预料到会发生爆炸，也绝非毫无根据。哈伯的那套装置，在示范表演后的第二天就发生了爆炸。整个设备顷刻之间变成一堆七歪八扭报废了的烂铁。随后，刚刚安装好的盛着催化剂锇的圆柱装置，也爆炸了。这时，金属锇粉遇到空气后又燃烧起来，结果，把积存备用的价格极贵的金属锇几乎全都变成了没有多大用处的氧化锇。

“照这样干下去我们将一无所获，应当从几个方面同时开展全面系统的研究工作。”波施做出这样的决定，“我们需要一种价廉而且易得的催化剂。如果再发生两次这样的爆炸事故，那么储备的锇将全部用光。”

“米塔什博士，您去搞催化剂吧！”波施建议道，“您不妨用铁、铬、钼、钙、铝试一试，这几种金属随您挑选，用哪个都可以。但是有一点，必须找出一种效果好，价钱又便宜的催化剂。让克朗茨师傅研制出一套低压的实验性装置。我和朗涅工程师研究催化剂加热炉所用的材料问题。”

机械设备厂的厂长弗朗茨·郎涅把装催化剂的圆柱在爆炸时飞落现场的柱壁碎片拿来给波施看。

“您瞧，原来是钢做的，可现在变成一种莫名其妙的东西了，混合气中的氢气扩散到了钢里，从而引起钢在结构上和组成上都发生了根本的变化。”这时，波施从自己工作服的内口袋里掏出一个小放大镜来，然后放在一小块黝黑的金属上面，开始仔细地观察金属块的情况。

“居然出现了意外的现象！氢气对钢铁起了脱碳的作用，结果把钢变成了熟铁，这说明必须改变一下设计才行。引起钢的结构发生变化的原因有两个：一是氢气；二是高温。我们倒是可以设法消除其中的一个原因，可是那样一来，合成氨的反应无法进行了。那么，能不能在内部压力上想点办法呢？”波施自言自语道。

朗涅工程师笑了笑，这确实是个中肯的好主意。

“把催化剂一层层地摆在圆柱四周，中央安一只管子，里边燃烧煤气，用以加热到反应要求的高温。”

朗涅工程师立即草拟了一张新的催化剂圆柱的结构图。

“整个工艺流程我们是按原先那样安排呢，还有什么需要改动？”

“看样子，如果能设法让通进去的气体沿着四壁走，情况可能会好些。”波施建议说。

紧张工作的日子又重新开始了。在工厂大院的北面，有一块地方过去是用来堆放炉渣和各车间扔出来的残渣废料的。现在已经建成一座专门为了安装催化剂圆柱的厂房。这里如果发生爆炸，对任何人也不会有危险，此外，还为波施和他的同事们准备了一个钢筋混凝土的安全舱。

在安装设备的那段日子里，波施几乎是没有一天离开过工厂。随着工厂上下班的汽笛声，这一班的工人换下了上一班的工人，然而，波施则一直坚守着岗位。

必须尽快尽早地把新的催化剂圆柱安装好。波施希望这样做会使问题圆满解决。

负责领导安装工作的是克朗茨工程师，他对每个零件的制造和安装都要求极为严格，也十分仔细。今天克朗茨比哪天都更认真、用心。因为有一个工人过生日，全组的工人准备下班后去参加庆祝聚会，所以大家都匆匆忙忙地赶任务。

下班的汽笛声刚响，工人们就都放下了工具，脱去工作服准备下班。波施惊愕地挑起双眉。

“怎么啦？这是怎么回事？”

“今天是弗里德利希的生日，满22岁啦。”师傅回答道。

“太好啦！应当庆祝嘛，”波施提高了嗓门说，“可是，难道为此我们就把原定的安装竣工的日子又往后拖一天吗？喂，朋友们，还是干活儿吧！至于弗里德利希的生日，咱们大家可以在这儿为他庆贺嘛！”

波施立刻走了出去，而工人们则眼巴巴地望着克朗茨师傅，人人都感到很扫兴。

“没有办法，只好接着干吧。你们大伙儿都明白，如果波施博士提出要干一件什么事儿，那不论是谁都得照办，他的话干脆就是法律。”

工人们又重新回到了各自的岗位上。在这间光线昏暗的附属厂房里，工人们又接着干了起来，但大家心情不快，默默无言。

过了一阵，波施走了进来。几分钟之后，乌利也来了。乌利是别的班组的一个工人，他手里提着一只大篮子，上面用纸蒙着。波施用调皮的眼光注视着大伙儿，提高了嗓门说道：

“喂！大家都到这儿来呀！咱们大家给弗里德利希祝贺生日吧！”工人们立刻活跃起来了。

乌利把热的油煎小灌肠和松软的小白面包都摊放在纸上，克朗茨师傅打开了啤酒，“大宴会”就这样开始了。

波施举杯祝酒，提议为弗里德利希的健康干杯，为克朗茨师傅以及全体在场的工人们的健康而干杯。然后大家又重新操起工具，继续干活去了。安装工作在拂晓前结束。工人们下班了，他们虽然十分疲惫，但个个心满意足。波施没有忙着回家。

“克朗茨，咱们留下来吧，现在应当赶快开动这个柱子试一试。”克朗茨愿意跟这个不知疲倦的人一道干活。好像有某种非常吸引人的东西隐藏在这紧张的期待之中。何况波施博士在犒赏上又一向是慷慨大度的呢。

克朗茨把满载氮气瓶和氢气瓶的小推车推到跟前，波施接通了加热器的电源。循环泵均匀地响动起来，测量仪表上的指针一动不动，这说明过程进行得很正常。

“克朗茨，你去睡吧，天亮我一定叫醒你。”他们在混凝土安全舱里呆了整整76小时，以便从舱里观察这台新设计的催化剂圆柱的工作情况。

他们吃在舱里，睡在舱里。

圆柱不停地工作着。

难道真的胜利了吗？

大家甚至都不敢相信。再试一次看看吧……波施刚刚站起身来，就在这个时候，一声震耳欲聋的轰隆巨响，把安全舱震得东摇西摆。克郎茨跳了起来，手还在揉搓着眼睛。

“完蛋了！又爆炸啦！”波施痛苦地叹息着。

他陷入悲观和失望中。

然而又哪里有时间让他们沉溺于灰心丧气的情绪之中呢？必须设法找出解决问题的办法。

经过几番努力，他们终于成功了，找到了一种催化剂，并且得到了意想不到的实验结果。就连哈伯教授在收到布隆克经理通知他试验成功的消息之后，也立即写信表示赞扬。

在哈伯的贺信中，波施背得烂熟的一段话是这样写的：

“您的同事能取得如此重大成果，对此我感到十分高兴，并向他们表示祝贺。最妙的是，在科学中新的发现总是会有地位的。就拿铁来说吧，奥斯特瓦尔德早年曾研究过，而我们呢，也成百次地使用过纯净的铁。然而正是这个铁，当包含有少量杂质的时候，也只有这种情况下，它才会发生作用。

对于波施博士所取得的成绩，我再次表示由衷的高兴，并且盼望将来能有机会向他请教。”

哈伯教授希望了解在路易港进行的科学研究工作的情况。在此之前，波施的同事们只是听说过哈伯的名字，但是从来没有见过他本人，哈伯最感兴趣的是他们在催化剂方面的研究工作。

因此，布隆克经理和研究工作的总领导人波施便请哈伯参观设在地下室大房间里的米塔什博士的实验室。沿着房间的四壁，安装了30只催化剂圆柱，这些又高又粗的圆柱犹如大炮的炮筒。

“你们的圆柱和我在卡尔斯鲁厄看到的那种完全不一样。”哈伯说道。“我们在结构上做了某些改动，”米塔什博士解释道，“每根圆柱使用大约2克左右的催化剂，它就放在这里，容易更换。”米塔什拧下一只螺栓，从里边掏出来一个装催化剂的小东西。

“你们的实验可能花钱不多吧？”哈伯问道。

“已经花掉大约1．5万马克了，可是实验工作还没有做完。各种金属我们都试过了。波施博士决定再重新用铁试试。”

“现在大家都已经不用铁了，在这种情况下，是什么因素促使您还想再用铁试试呢？”哈伯对此很感兴趣，因而朝波施问道。

“这个问题我该怎么跟您说才好呢？”波施顿了顿，接着说道，“当我们的全部试验都失败了之后，我们总得找个出路吧。于是我就重新摸索，我先查资料，凡是我能弄到的资料我都翻开来看看。就这样，我偶然发现了艾德尔和瓦朗特合编的一本《光谱手册》。我留心查看了铁元素光谱的详细情况。结果发现，具有此种谱线的元素是很有希望的，于是我又重新用铁做实验。不久，塞林公司的发现公开了：他们发现少量的碱金属可以提高镍的催化作用。不过，关于这个问题最好让米塔什博士给您讲讲吧。”

米塔什以一种郑重其事的神态，把手插进工作服的口袋里，然后开始详细地叙述这次试验的经过：

“我们在研究工作中曾经使用瑞典产的磁铁矿矿石做过一些试验，这才使我们的工作发生了具有决定性意义的转折。”

“在一次试验里，我们曾经使用锇和铀作催化剂，结果所得到的氨在数量上几乎相等。可是，在其他几次试验中，虽然使用的也还是瑞典的磁铁矿，但是它也不起催化作用。如果我们把塞松公司的实验成果联系起来考虑，那么对上述事实唯一可能做出的解释就是：磁铁矿中某种杂质起了活化的作用。于是，我们使用化学纯的铁作催化剂，安排了一系列的试验，然后依次往铁里分别加入各种其他物质。我们真侥幸，在这项研究刚刚开始，我们用铁和黏土的混合物所做的一次试验中，就发现了它的催化活性和锇或铀的活性完全相同。随后我们又做了大量的试验，想摸索到一种活性比这更好的催化剂，可是直到现在为止，我们没有发现。”

“我们的研究工作除了有实际意义之外，还有理论上的价值，”布隆克经理插话说，“米塔什博士和波施博士弄清了一点，即有少量杂质存在时，这部分杂质对于作为催化剂的铁，基本上没有什么影响；铜和锰的例子可以说明这一点，他们还证明：黏土和苦土（氧化镁）对铁均起活化作用，而且最主要的是，他们发现了还有第三类物质也对铁起作用，也就是那些能够使催化剂中毒的一类物质。只要有很少量的这类物质存在，就可以使催化剂中毒，使它完全丧失催化活性。其中，毒化作用最强的是硫磺。”

“这个情况说明，这就是在我们使用铁矿石作催化剂所进行的历次试验中为什么会得到反面结果的症结所在。因为铁矿石里，多多少少总会有一些硫化铁的成分。”波施在米塔什博士解释后，又补充了一句。

哈伯目不转睛地凝视着排列整齐的催化剂圆柱。

用这样简陋粗糙的装置居然能够得出如此令人神往的实验结果！就这样，催化剂的问题算是彻底解决了。既然找到了便宜的催化剂，现在就可以放手大量地生产了。

但是，制造催化剂圆柱的材料问题怎么解决？怎样才能找到一条出路呢？波施用心地观察圆柱爆炸时从上面崩下来的碎钢块，并把它交给克朗茨师傅。

“请您把这个小钢块切成几个薄片，把表面磨平抛光，达到像镜面一样的光洁，然后请您交给我。”

克朗茨在门口差一点跟朗涅工程师撞了一个满怀。

“这是分析数据，还是没有发现氮在实验中存在。”

“这说明没有氮化铁生成，”波施若有所思地在手里翻动着那块薄薄的金属片，“朗涅，您瞧瞧，圆柱内部由于和氮氢混合气体直接接触，钢的颜色已经变浅了。钢的主要成分——珠光体已经毫无踪影。但是它并非纯铁，而是一种质地极脆，又具有白色的物质。这可能是铁和氢生成的一种化合物。”

一个突如其来的猜测使波施恍然大悟，他站了起来，“氢，当然是氢啦！劳驾，请您从圆柱的内壁上用锉刮一点钢屑下来，然后送给化验室分析一下是否含氢。”

分析的结果完全证实了波施的推测。

这就是说，在高温下氢气渗入钢中，并脱去钢材中的碳，这时，氢与碳生成甲烷，而氢与铁则生成质地很脆的氢化铁。

“根据您说的这些，我们只好放弃钢材啦。”弗朗涅说道。

“您晓得还有什么材料能够代替钢铁吗？根本没有！”波施有点恼怒地说道，“我认为，问题在于应当改变一下它的结构。催化剂圆柱起两个作用：一是作为反应的容器，二是保证反应所需的压力，能不能让这两种功能分开呢？”

“也许在圆柱内壁镶一层衬面会起点作用？因为有了这层衬面就可以避免它再和气体直接接触了，对吧？”

“蒙一层衬面是不能解决问题的。氢气的扩散能力极强，甚至连最细微的小孔它都能钻进去。因此，管中套管才是解决问题的办法。朗涅，咱们从头干。内管用铜的，外管用钢的。这样一来，我们就保护住钢材，使其不受氢气的作用，从而也就使钢能够保持住原来的强度。”

但是，试验未能奏效。铜没有能保护住钢，甚至换成银的隔离管也无济于事。

现在，大伙只为一件事着急：如何使钢管不受氢气的作用？

在每周的星期五所举行的例会上，讨论的也是这个问题。而每星期六召开的公司生产会议上，中心议题也只有一个：如何把催化剂圆柱改一改型。在寒冷2月的一个星期六，人们的情绪是忧郁的。

尽管做了各种各样的改进，催化剂圆柱也只能坚持3天。这期间如果顺当，即便不爆炸也得把圆柱卸掉，扔到废铁堆去。实际上，爆炸仍然时常发生，所幸均未造成重大伤亡事故，因为这些试验工作是安装在过去生产氢氨化物的旧车间进行的。每只圆柱都用一个特制的钢筋混凝土圆圈围起来，圈上盖着钢板，掩住“咝咝”作响的氢焰火舌，因为氢气一旦与空气接触，转瞬之间就会自行燃烧起来。

工厂现在像是一个军事演习场，爆炸和失火此起彼伏。但是，试验工作一刻不停，圆柱炸坏了，立即换上一个新的，研究工作照常进行。问题是每天才生产出400公斤的氨，而且每生产一公斤的氨，就要报废一公斤的钢。尽管如此，生产仍然不亏本，因为氨的售价非常高。

但是，要使氨的年生产量达到上千吨的水平，就要求催化剂圆柱必须能够持续使用几个月，甚至使用几年才成，而不能像现在这样，只能使用几天就报销了。

波施还建议过一种方案——用含碳量少的熟铁制做一个隔离管。如果说，钢材出现裂缝的原因，在于碳与氢相互作用，那么就应当把碳除去，这样也就没有必要另找别的结构材料和器具了。

结果，问题解决了。波施对这项成果很有把握，现在他总算能过一个安心的假日了。天刚刚亮，他就和好友瓦里特·福特兰德博士一起，骑着自行车奔向莱茵河沿岸的沼泽地。波施在他家的小工厂里自制了一套捕捉牡蛎和蜗牛的新工具，他们此行的目的就是想找个淤泥多的地方试试这套工具是否好用。

根据米塔什博士的回忆，波施的业余爱好几乎包括了所有的自然科学领域。他对以下各学科中的最新问题都有涉及：动植物学、生物学、矿物学、地质学、植物学、稀土元素化学、天文学和物理学。在海德堡，他自己拥有一个设备齐全的天文台。波施研究设计过多种捕捉昆虫的方法，而且效果皆佳。

波施就是在休假的时候，心里仍然挂念着催化剂圆柱的事。“氢气反正是要进到熟铁里去的，因而，钢罩迟早要受到冲击，终归会爆炸的。那么如果预先把钢罩上弄成许多微孔行不行呢？譬如用最细的钻头钻成很小很小的眼儿，这样做既不影响钢的强度，而氢气又可以自由地穿过小孔直接跑到外围的空间去。结果，钢就不会受到氢气的作用了。”

一清早波施就直接来到专利局，他把一张全新结构的图纸摊在桌子上并正式地宣布道：

“请为我立即办理申请专利权的一切必要手续。”

波施在他一生从事的科学和生产活动中，先后取得了114项专利权。随后，波施又到机械加工厂去，以便把任务布置给朗涅工程师。

新设计的催化剂圆柱于1911年3月5日正式投入使用，这台圆柱一直连续工作到4月底也未出现任何毛病。

问题终于解决了。

现在可以开始进行大规模的建设了。