第三十六章农业发展新阶段
化肥的发明
“如果不找到新的化肥。人类的生存将受到严重的威胁。”
氮肥诞生并得以大量生产后，人类农业生产从此出现一个惊人的飞跃。
李比希学说肥料新研究
日本和欧洲一样，在土地狭窄的地方，同一块土地上不得不年年种着同样的农作物。这样，
土地的营养递减，作物生长不良，因此就必须施肥。在东方是使用人、牛、马粪，鱼油或豆
油的渣子以及堆肥等。虽然在欧洲也施肥，但不像东方那样利用腐坏的或其他一些东西作肥
料，所以常因土质贫瘠，作物不育而发生灾荒。
1840年，德国著名化学家济森大学的化学教授李比希，干了一件使人吃惊的事情。
那时，在德国的北部多是沙地，一般人认为那里的土地是完全不可能种植作物的。而李比希
却用自己的钱买下了一部分，并从远距柏林100公里的斯达斯弗德把该地出产的含钾石盐运
到这块沙地上，并种上了粮食。当时，人人都把李比希看成疯子，认为他的行为不可理喻。
但是，一年后，人们使大大吃了一惊。在过去的沙地上竟然长满了美丽的芜菁、大麦、黑
麦和马铃薯。农民们把李比希看成神仙，李比希的名字也传遍了德国。国外也来信、来人邀
他前去传授技术。
李比希认真地教授着德国的农民，并邀他在国外的学生和他一起工作。但他的学生们对研
究肥料的工作不感兴趣。李比希在英国的学生霍夫曼，正在研究煤焦油，以霍夫曼研究室为
中心，发明了多种人造染料。德国看到这一点，赶紧邀霍夫曼回国继续研究人造染料，于是
对化肥的研究没有得以继续进行。
但是，李比希研究的肥料，因采用了与以前生产的肥料完全不同的方法，从而拯救了苦于缺
乏肥料的欧洲农民。
李比希提出：
“作为植物的养分，可以不使用传统的以腐烂动植物为肥料的方法。只要能供给并使植物吸
取所需要的碳、氮、硝、磷、硅、钾、水、氧化镁、铁等，就可以培育植物。”
李比希有效地把斯达斯弗特石盐中的氯化钾作为钾肥使用了。
但是，有人反对李比希的学说。英国的劳斯和基尔马特反对李比希提出的不需要动植物肥料
的说法。劳斯和基尔巴特于1842年分别进行了各种实验。通过实验确证，用腐烂的动植物制
造的肥料就是氮肥的最重要来源。劳斯还把动物的骨头粉碎成骨粉，经硫酸处理，制成过磷
酸钾，并证实这也是一种极为重要的肥料。用提取煤气时所产生的氨，制成硫酸氨，也是一
种很有效的氮肥。从而完全证实，氮肥、磷肥、钾肥等都是很重要的肥料。
从此，人们对这三种肥料不断地进行了研究。尤其是氮肥这一最重要的肥料，更是获得了长
足的发展。
植物启迪奇妙转化
科学家们研究的结果表明，氮可以促进植物的茎和叶子的生长。是植物生长的重要化学质，
一般说来，人粪尿、绿肥和氨肥都含氮。人们今天常说的氮肥，则是指硫酸铵、碳酸氢铵、
尿素和氨水。
19世纪初，人们在智利的沙漠地区，发现了一个很大的硝酸钠矿，从那种矿中，可提炼出氮
肥。于是，人们蜂拥前往开采。一直到19世纪中叶，世界上使用的氮肥，仍主要来自于智利
那一矿床。但是，天然硝石的产量毕竟有限，智利的矿床也只够开采几十年。况且，从那儿
将矿石运回欧洲，成本太高，绝非长久之计。
19世纪后期，在欧洲各国兴起炼焦工业，人们又发明了制造氮肥的新方法。它是用炼焦的副
产品氨为原料，制成硫酸铵。这样，氮肥又有了廉价的炼焦副产品这一来源。
但是，随着农业生产的发展和地球人口的不断增加，天然氮化合物的数量越来越无法满足需
要，建立规模巨大的生产氮化合物的工业已是大势所趋。
对于氮肥来源科学家已经知道，围裹地球周围的厚厚大气层中，氮气约占整个空气的78%，
这可是取之不尽，用之不竭的丰富宝藏。但是，空气中的氮是以游离的方式存在的，氮的化
学性质也很不活泼，要直接利用它作为肥料施入土壤是不可能的。在自然界常温状态下，游
离氮只能被一种在豆科植物上生长的细菌所直接利用，这种菌叫做根瘤菌。根瘤菌有一种
绝妙的本事，即它具有固态氮的功能，它能够在常温下将空气中的氮气转化成自身所需要
的氮肥。科学家们从根瘤菌身上得到了有益的启示。
百折不挠合成成功
卡尔斯鲁厄工程学院化学教授弗里茨·哈柏也致力于氨合成的研究工作。
1902年初，为了研究合成氨理论，哈柏来到美国。他专程访问和考察了尼亚加拉一座生产固
定氮的工厂，该厂是模仿自然界雷雨放电来合成氨的。通过仔细考察，哈柏对用固定氮方法
生成氮氧化物、生产氨的研究产生了浓厚的兴趣。返回德国后，他便一头钻进实验室，展开
了紧张的研究。
哈柏研究氨的合成理论，是从可逆反应的平衡反应的平衡条件方面入手的。并认为，为了使
化学反应加快，需要有适当的催化剂。
从1904年4月至1905年7月，虽然哈柏带领助手们夜以继日地呆在实验室里，坚持不懈地做着
各种枯燥乏味的试验，但几乎每次试验的结果都令人失望。慢慢地他弄清了问题的症结：要
使产量进一步提高，就得对原料气——氮气和氢气施以高压，降低温度，并使用催化剂。他
又重新起步，开始了新的实验。此时，他不仅已经熟悉这个实验的理论，而且具备了成功的
基础。
哈柏等人在化学平衡理论的指导下，潜心忘我地进行着试验。他们试验在不同的压力和温度
下产量能达到的百分比，还花费大量精力寻找最佳的催化剂。
就是在这样的困境之下，哈柏等人冒着高温、高压的危险，坚持不懈，百折不挠，试验，试
验，再试验……
此时，法国科学院院刊上报道了一则消息：法国化学家在采用高温、高压合成氨时，反应器
发生了爆炸。哈柏闻之，深受启发，他果断地改变了试验条件，改进了工艺，特别是提高了
反应压力，他终于有了令人振奋的进展，合成氨的产量显著增加了。
1907年，哈柏等人，在大约摄氏550度和150至250个大气压的不寻常高压条件下选择锇或铀
为催化剂，成功地获得了8.25%的氨，第一次成功地制取了0.1公斤的合成氨，使合成
氨有可能迈出实验室。这是一个让人惊奇的突破，合成氨具有了工业实用的价值。
哈柏和他的助手们欢欣鼓舞，他们预感到合成氨的试验研究已进入了实用化的阶段。于是，
他们又加紧对高温、高压合成氨工艺的研究。经过反复、艰苦的试验，他们取得了一系列第
一手实验数据，试验研究的步伐大大加快了，新的成果也不断涌现。
哈柏的科研成果极大地震动了欧洲化学界，化工实业界人士纷纷购买他的合成氨专利，独
具慧眼的德国巴登苯胺纯碱公司捷足先登，抢先付给哈柏2500美元预订费，并答应购买以后
的全部研究成果。但公司中很多工程师，对钢制反应容器的赤热程度表示不安，对惊人的高
压更感吃惊，他们对哈柏成果的工业化前景持怀疑态度。一想起法国发生的反应器爆炸事故
，他们便不寒而栗。他们担忧地指出：法国爆炸的高压釜只有7个大气压，而哈柏的高压实
验条件则有150～250个大气压，太可怕了!
1909年，哈柏又提出了“循环”的新概念即让没有发生化学反应的氮气
和氢气重新返回到反应器中去，把已反应的氨通过冷凝分离出来。如此周而复始，以提高合
成氨的获得率，使流程实用化。“循环”概念的提出，是合成氨迈向工业化进程的具有历史
意义的重大突破。德国政府极为重视，立即接受和采用了这个新设想。
当年7月2日，哈柏在实验室制成了一座小型的合成氨装置模型，这是世界上第一个氨合成装
置模型。博施同米塔希一起，作为巴登苯胺纯碱公司的代表，前来接收哈柏的实验
技术和装置。哈柏当场演示了他的合成氨装置，这种装置魔术般地以每小时0.08公斤的神
奇速度合成着氨。博施亲眼看到了液氨滴落的情况。前来观看的专家们一致认为，用不了多
长时间，它将成为日产几吨的设备，工业化的前景已清晰可见，毋庸置疑。
巴登苯胺纯碱公司立即买下了哈柏合成氨的专利权，并将其全部研究成果接收下来，双方还
签订了协议。
哈柏发明的合成氨在经济中显示出巨大的作用，并由此获得1981年度的诺贝尔化学奖。从此
，哈柏跻身于世界著名化学家的行列。哈柏的重大发明将人类农业的发展推向了一个崭新的
阶段。
工业生产农业丰收
1908年，在巴登苯胺纯碱公司工作的博施，正从事氮固定法工业化的研究。当他得到哈柏氨
合成成功的消息后，就在巴登苯胺纯碱公司的大力支持下，开始了把哈柏氨合成法发展为工
业规模生产的工作。
而此时，博施面临的主要任务：一是制造出能经受住100至200个大气压和摄氏500度左右温
度的反应容器；二是要找到适于大量生产的催化剂。
大型反应塔制成后，钢壁虽然厚达3厘米，也仅仅使用3天就破裂了。经查看，博施发现：
在高压下，氨气渗进了钢里，同其中的碳化物反应，由于生成了甲烷气体而致使钢的内部组
织减弱，因而发生了破裂。于是，博施在内壁衬上铜、青铜、纯银等金属，后又采用“熟铁
”，但都没获得成功。
1911年2月的一个晚上，在回工厂的路上，他突然悟出一个绝好的办法：在反应塔的壁上钻
出许多小孔，让透过熟铁而进来的氢气跑掉。为此，反应塔应制成双层结构。
博施用一个管子套在另一个管子里面，外管用普通钢制成，内管用合金钢制成，以此取代了
柏的单壁反应器。博施通过用合金钢代替碳钢，解决了高温、高压下钢材脆裂的问题，也避
免了爆炸事故的发生。
反应塔发生了质的变化，双层反应塔的诞生结束了合成氨的悲观历史。解决办法固然很简单
，但它却推动了氨合成的整个发展，至此，氨合成实现工业化已全无障碍了。
接着，博施又进行了大量的实验，力求寻找一种催化剂，既经济又不对气体杂质的作用过于
敏感。此时，他的助手米塔希已进行了大量试验。
米塔希认为工业用的催化剂就是铁，为此，他试验了各个地方的铁。他用比银的价格还要贵
的纯铁，搞成各种各样的混合物，一个一个地试验下去。
1910年1月初，米塔希和博施发现，在天然磁铁矿中掺入少量碱金属和其他金属时，得到了
一种优良的催化剂。后来，他们又发现了氧化铁与少量的氧化铝混合物更为优良。经过2万
次的反复实验，1913年，博施和米塔希终于成功地改进了哈柏的高压合成氨的装置和催化方
法。
1911年，巴登苯胺纯碱公司正式开始在路易港郊外的奥帕乌建造了世界上第一座合成氨工厂
。到1913年9月，博施终于建成了整个工厂，包括煤气发生炉、压缩机、成品装运设备等一
整套连续装置。一座高达8米的双层反应塔也屹然“耸立”。
1913年9月9日，合成氨工厂开始投入生产，获得了年产3.6万吨硫酸铵的成果。人工合成的
硫酸铵被运往各个农庄，那里正期待着大丰收的佳绩。从合成氨的理论形成到工业化生产，
哈柏及博施为人类的农业生产做出了不可估量的贡献，后人把他们发明的氨生产法称为“哈
柏—博施”法。
成就喜人不断发展
“哈柏—博施”法具有划时代的工业意义，人类可以直接利用游离状态氮，高压合成氨的化
学方法也产生了，它不仅使大气中的氨变成了生产化肥“取之不尽，用之不竭”的廉价来源
，而且使农业生产发生了根本的变革。同时，它也大大推动了相关科学、技术的发展。在合
成氨理论的启迪下，不少工业伟绩令人眼花缭乱：
1923年，在100至200个大气压条件下甲醇的合成；1926年在100个大气压条件下人造石油的
成功；1937年，在1400个大气压条件下的高压聚乙烯生产……
哈柏开创了化学时代的新纪元直到现在，哈柏的方法仍是各国的氮肥工业的基本原理。氨
的合成是人类科学史的重要篇章。
当前，由合成氨加工成了世界上90%以上的氮肥。许多国家都大量生产合成氮肥，使粮食成
倍增产，人类农业生产的面貌已发生了重要变化。
化肥工业前进的步伐没有停止， 目前，化肥的发展已有固体、液体之分。在固体氮肥中，
尿素和硝铵的比重不断增大。液体氮肥包括液氨、氨水、氨溶液以及液体混合肥料等。除
了氮肥以外，还有磷肥和钾肥。从发展趋势看，化学肥料的生产和施用，主要是提高肥料浓
度，发展二元、三元复合肥料或液体肥料，并采用颗粒肥料和深层施肥法。虽然有机肥料不
可忽视，但是，现在化学肥料仍在增产中占有重要地位。据联合国粮食组织统计，1公斤化
肥一般增产籽粒和茎杆各10公斤。所以，近年来，化肥的生产和研究水平不断提高，主要表
现在高浓度化肥逐渐代替低浓度化肥，欧美和日本生产的一种超高浓度肥料，含有效成份达
94%以上；复合肥料、混合肥料迅猛发展，目前除含铵等微量元素的新复合肥料之外，有的
厂家生产的有效成份在40%以上；液体肥料和长效肥料逐年增加，这种肥料优点突出，效果
良好；微量元素肥料越来越占显著地位。除此之外，生物固氮的研究正在大力开展之中，不
久将会给肥料的制造和使用带来革命性的大变化。
