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弗里茨·哈伯:养活了二十亿人的 “化学战之父”

让数十亿人不再饱受饥饿之苦、同时双手沾满鲜血的 “化学战之父” 弗里茨·哈伯 | 图源:Wikipedia
 
导 读
 
他是第一位找到从空气中获取氮肥方法的化学家,因为他的发现,数十亿人不再饱受饥饿之苦,诺奖委员会也将科学界的最高荣誉授予了他。然而,提议并推动氯气在一战战场上的使用,也让他成为了双手沾满鲜血的 “化学战之父”。他就是弗里茨·哈伯。
 
撰文 | 杨朔
 
编辑 | 夏志坚
 
1898年9月,英国皇家学会院士威廉·克鲁克斯发表了一个演讲,提出了一个紧急且致命的问题——人类即将面临粮食危机,旧的农业生产方式不可持续,地球上已经没有更多可耕种的土地,然而 “人类饥饿的嘴巴在继续繁殖” [1],而解决办法只有一个字:氮。
 
氮是组成生物体的重要元素,也是生产肥料、农药、炸药的原材料。它来源广泛,约占大气含量的78%,不过因其性质稳定,很难被生物体直接利用。传统农业通过集约回收人畜粪便、种植豆类植物或实行轮作耕种的方式提高土地含氮量,改善土地肥力。
 
19世纪初,人们在距离秘鲁海岸不远的一个小岛上,发现了积累了几个世纪数以百万吨计的鸟粪,鸟粪中因含有丰富的有机质和氮磷化合物,属于上好的作物肥料,引发各国争抢热潮——仅1869年,就有55万余吨的海鸟粪被开采 [2]。1856年,美国甚至出台了《鸟粪岛法案》,其中规定:凡是含有鸟粪沉积物且无人认领的岛屿,美国公民可以占为己有,必要时国家可以出兵保护 [3]。然而由于过度开采,这些优质肥料被很快耗尽。
 
19世纪70年代,人们又在位于秘鲁南边的智利发现了一种富含氮的硝酸盐矿石,氮肥紧缺的危机得以暂时缓解。到了1900年,智利生产的肥料已经占全球总量的2/3 [4]。不过好景不长,经过数十年的开采,智利硝酸盐矿石也出现了即将耗尽的迹象。
 
这引起了大西洋彼岸的德国的担心。19世纪末到20世纪初,德国发展迅速,欧洲的工业重心从英国转移到了德国,与此同时,德国的人口也开始快速膨胀。从1870年到1910年,德国人口在短短40年时间里,从3950万激增到了6350万 [5]。对于氮肥的需求也与日俱增,当时的德国已经成为了智利硝酸盐的最大进口国。
 
智利硝酸盐矿石的日益枯竭以及对于爆发战争的担忧——一旦发生战争,德国人海上硝石运输线被英国切断,他们将面临缺少粮食、弹药的困境——令德国人意识到必须找到能够工业化固氮的方法,将空气中丰富的氮气转化为含氮化合物。
 
然而研究却一直徘徊不前。科学家试图通过氮气和氢气反应生成氨,实现氮的固定,但是氮气性质稳定,每一对原子之间存在三个共价键,想要破坏这些共价键需要大量能量,无法在工业上实现量产。
 
问题直到犹太人弗里茨·哈伯(Fritz Haber)的出现才得以解决。
 
要强的哈伯
 
1868年,弗里茨·哈伯出生于东普鲁士布雷斯劳(现属于波兰)一个犹太人家中 [6]。哈伯的父亲是一名制造染料和油漆的富商,希望哈伯能够子承父业,不过,对化学工业充满热情的哈伯对经商完全不感兴趣。
 
1886年开始,哈伯开始辗转于柏林大学、海德堡大学、柏林技术大学等校求学。1891年,哈伯在柏林技术大学化学教授卡尔·利伯曼(Carl Liebermann)的指导下,哈伯以优异成绩获得了博士学位。
 
哈伯起初关心氮问题并不是出于解决人类粮食问题的责任心,而是因为一个意外。1903年,哈伯收到了奥地利一家化学工厂经理的来信,他们在化学品中检测到了令人兴奋的氨,求助于哈伯,希望获得商业化量产制氨的技术。
 
哈伯研究之后发现,在1000摄氏度的高温下氮气会和氢气发生反应生成氨,但热量又会导致氨快速分解,因此最终混合物中氨的含量微乎其微,不具备生产价值。“这是人与自然徒劳的斗争” [7],他告诉经理这项技术难以实现,并将研究结果发表在了科学期刊上。
 
哈伯的实验结果引来了大名鼎鼎的瓦尔特·能斯特(Walther Nernst)的质疑,能斯特认为哈伯的实验夸大了氨的合成数量,乐观估计了氨的合成难度,他嘲讽道:“我想建议哈伯教授能够采用正确的方法计算(氨)含量” [7]。能斯特比哈伯大四岁,此前因发现了热力学第三定律,被视为科学界新兴的学术明星,能斯特的质疑让哈伯倍感恼怒和羞愧,强烈的自尊心让他一头扎进了实验室,决心证明能斯特的错误。
 
哈伯通过多次实验发现,高压有助于降低反应所需的温度 [8,9]。在助手罗塞格尔(Robert Le Rossignol)的帮助下,哈伯建成了耐高压的实验设备。又在朋友恩格勒(Carl Engler)(恩格勒为德国最大的化学公司巴斯夫公司的监事会成员)的努力下,哈伯与巴斯夫公司达成合作,获得了研究资金。为了促进反应的高效进行,哈伯还需要催化剂,在尝试过镍、锰和铂以及多种稀有元素后,哈伯找到了合适的催化剂——锇。
 
1909年3月,哈伯合成氨的实验终于成功,他兴奋地向同伴喊道 “下来吧!有氨气!” 实验结果立即报告给了巴斯夫公司,然而当获悉发现实验至少需要100个大气压时,公司董事长布伦克(Heinrich Brunck)的态度顿时冷漠了下来,缓缓地说道:“昨天7个大气压就炸毁了我们的一个高压釜” [7],言下之意,如此高压根本无法进行商业化生产,布伦克对实验结果并不满意。与此同时,还有一个显而易见的难题,反应所需的催化剂锇不仅稀缺而且昂贵。
 
尽管面临两大难题,巴斯夫公司的研究员卡尔·博施(Carl Bosch)却认为公司值得冒险扩大生产规模,在博施的不懈努力下,哈伯的发明被推向工业化生产,该方法也被后世称为 “哈伯-博施法”。
 
第一次世界大战之后,世界各国开始普遍采用哈伯-博施法固氮。哈伯也因此荣获了1918年度的诺贝尔化学奖,以表彰他找到了将氮元素合成氨的方法 [10]。据学者们计算,哈伯-博施法制造的肥料可能维持了战后三分之一的人口,如果没有这项技术,当今世界大约有二十亿人将无法生存。同时,化肥的使用保持了耕地的肥力,令开垦新耕地的需求大幅减少,大批的森林、草原、山泽、湖泊因此得以保全。
 
“化学战之父”
 
如果没有第一次世界大战,哈伯必将以卓越贡献名留青史。
 
然而,就在哈伯发现将氮气合成氨的方法两年之后,1911年,哈伯被德意志帝国皇帝威廉二世任命为新成立的凯撒·威廉物理化学及电化学研究所所长,这既是皇帝对哈伯成就的表彰,同时皇帝也希望哈伯能发明一些克敌制胜的武器,这极大鼓舞了哈伯狂热极端的 “爱国主义” 情绪,哈伯的人生也由此迎来了转折点。
 
1914年第一次世界大战爆发。战争开始后不久,德国军队就陷入了僵局,此时,哈伯向帝国最高指挥部提出了一个前所未有的建议:使用氯气。这位即将在四年之后获得诺奖的化学家成为了 “化学战之父”。
 
1915年,哈伯开始训练士兵如何利用天气将氯气吹入敌人的战壕,迫使敌方放弃阵地,甚至直接死亡。当有人质疑这种行为会违反1907年取缔毒气武器的《海牙公约》时,哈伯回应道:“如果战争能以这种方式更快结束,将挽救无数人的生命。” [7]
 
哈伯满怀热情进行自己的研究工作,他亲临一线,以大无畏地勇气穿过测试区,而她的妻子则紧张绝望地看着自己的丈夫,有士兵回忆:“哈伯的妻子是一位紧张的女士,强烈反对他陪同新的毒气部队去前线。” [7]
 
哈伯是在1889年于布雷斯劳服兵役期间遇到克拉拉·伊梅瓦尔(Clara Helene Immerwahr)的,伊梅瓦尔是一位获得了博士学位的犹太女孩,两人于1901年结婚 [6]。
 
左:弗里茨·哈伯 右:克拉拉·伊梅瓦尔 | 图源:wikipedia
 
但是,婚后哈伯和妻子的婚姻并不顺利,伊梅瓦尔给导师、朋友的信中都流露出了对婚姻不满,而毒气战则是压垮脆弱婚姻的最后一根稻草,克拉拉指责丈夫行径的野蛮,哈伯则指责妻子背叛了祖国。
 
“在和平时期,一个科学家是属于全世界的,但是,在战争时期,他是属于他的国家的。”哈伯留下的这句名言为他的狂热行为和家庭悲剧写下了注脚。1915年5月1日晚,哈伯13岁的儿子赫尔曼发现了倒在血泊中的母亲——伊梅瓦尔用丈夫的军用左轮手枪结束了自己的生命。妻子的自杀并未动摇哈伯推广化学武器的信念,次日早晨,哈伯又离开家前往一线视察毒气施放情况,留下了儿子赫尔曼一个人。
 
然而,哈伯极端的 “爱国主义” 并未换得德意志帝国的胜利。1918年11月11日,德意志帝国宣布投降,这场历时四年的战争以英国、法国为首的协约国获胜告终,而此时,已有26000多人因哈伯的化学武器而死 [11]。
 
曲折多难的后半生
 
一战结束后,德国面临巨额赔款,“爱国” 的哈伯又一次找到了研究目标。1920年,哈伯回忆起自己曾经在阿伦尼乌斯(Svante August Arrhenius)的论文中看到,海水中存在微量黄金,并推算每吨海水中大约有6毫克金属。哈伯随即召集同事开会宣布了自己雄心勃勃的计划:提炼海水,获取黄金,为国偿还赔款。
 
此后哈伯花了三年时间潜心研究,结果发现平均每吨海水中只有约0.01毫克的黄金,这样的研究没有任何经济意义,阿伦尼乌斯只是试验操作失误的结果。1926年,58岁哈伯被迫结束了自己的黄金研究。
 
1933年,希特勒上台后对犹太科学家开始了驱逐行动,对德意志帝国忠心耿耿的哈伯被迫逃往海外,辗转流亡到了瑞士。
 
一年之后,65岁的哈伯因心脏病离开了人世,他在去世前留下遗嘱,希望能和自己的第一任妻子伊梅瓦尔葬在一起,并在自己的墓碑上写一句话:“只要被需要,无论战争还是和平,他都为自己的国家服务(He served his country in war and peace as long as was granted him)。”
 
哈伯此时离开人世或许是某种幸运,因为他研发的用来制造杀虫剂的齐克隆B(Zyklon B)成了纳粹大规模屠杀包括哈伯的同事和亲戚在内的犹太人的利器。1946年,哈伯的大儿子赫尔曼自杀,有说法认为其是因为羞愧于父亲的战时研究。
 
哈伯与第二任妻子伊娃·夏洛特(Eva Charlotte)的儿子路德维希·弗里茨·哈伯(Ludwig Fritz Haber)后来在给《弗里茨·哈伯:化学家、诺奖得主、德国人、犹太人》(Fritz Haber: Chemist, Nobel Laureate, German, Jew)一书的序言中写道,父亲作为德国毒气战计划的领导者,一直面临着两难的局面:“毒气战带来的责任一直压在他的肩头,哪怕时隔多年也没能释然。” [12]
 
弗里茨·哈伯或许是历史上最受争议的科学家。他是科学天才,也是战争魔鬼;他是能用空气做肥料的诺贝尔奖获得者,也是双手沾满鲜血的 “化学战之父”;他一生致力研究为国效劳的成果,妻子儿子却因他的成果羞愧自杀。
 
当技术带领人类飞速前进时,更需要人文精神审视我们的位置与方向。学者们专心致志的研究和惊人的发现既有可能给人类带来光明和希望,也有可能给人类带来了灾难和悲剧。技术终究只是工具,如何使用工具,考验着使用者心中的道德律。
 
参考资料
 
[1]Charles. Master Mind: The Rise and Fall of Fritz Haber, the Nobel Laureate Who Launched the Age of Chemical Warfare. 2005.
 
[2]理查德琼斯. 自然的召唤:粪便的秘密.2020
 
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Guano_Islands_Act
 
[4]马特·里德利. 创新的起源 一部科学技术进步史. 2021
 
[5]Demographics of Germany – Wikipedia
 
[6]https://en.wikipedia.org/wiki/Fritz_Haber
 
[7]Thomas Hager. The Alchemy of Air: A Jewish Genius, a Doomed Tycoon, and the Scientific Discovery That Fed the World but Fueled the Rise of Hitler.2008
 
[8]汤姆·斯坦迪奇. 舌尖上的历史[M]. 中信出版社. 2014.
 
[9]Vaclav Smil. Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production.2004
 
[10]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1918/summary/
 
[11]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_10233519
 
[12]http://acshist.scs.illinois.edu/awards/Dexter%20Papers/HaberDexterBioJJB.pdf



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