主題：糖衣化學連載3——莊稼一枝花，全靠我當家！
作者：歷史學的還不錯 糖衣化學系列——同時歡迎志同道合的朋友加入我們。
歷史上著名的科學家赫爾蒙特通過"柳樹實驗"認為柳樹的在生長過程中增加的質量只來源於水，今天看來這個實驗結果顯然是錯誤的，因為空氣中的二氧化碳和土壤中的礦物質進入了植物系統。而植物從土壤中可以獲得很多的礦物質，其中氮磷鉀是植物生長需求量比較大的幾種元素，上回我們提到的草木灰中就含有較多的碳酸鉀，所以很早人們便知道"刀耕火種"的種植方法。植物對於氮元素的需求量比鉀元素還要多，並且氮元素還是組成氨基酸和蛋白質的必需元素，因此氮元素被稱為生命元素。雖然空氣中有很多氮氣，但是這種遊離態的氮元素，植物是不能直接吸收利用的。
在中國有一句諺語"一張雷雨一場肥"；在新疆與青海兩省區交界處有一狹長山谷，就是風和日麗的晴天也會傾刻間電閃雷鳴，狂風大作，人畜常遭雷擊而倒斃。奇怪的是這裡的牧草茂盛，四季常青，被當地牧民稱為"魔鬼谷"。不管是一場雷雨一場肥還是魔鬼谷的傳說都與"雷"有關，這是因為在雷雨閃電的作用下空氣中本來非常懶惰（穩定）的氮氣和空氣中的氧氣反應生成一氧化氮，一氧化氮與氧氣再迅速化合生成二氧化氮，二氧化氮與水反應生成硝酸，落入地下形成的硝酸鹽是植物可以吸收的硝態氮肥，真的是"雷雨肥莊稼"啊！
在化學上我們把這種氮元素有單質（遊離態）轉化為含氮化合物（化合態）的過程稱為氮的固定。雷雨肥田的過程中需要放電這樣的非常極端的條件才能把非常穩定的氮氣激活。事實上氮的固定也可以非常溫和的實現。小時候我一直都非常疑惑，為什麼玉米、小麥都需要施肥（一般為氮肥），但是地裡種的黃豆從來都不施肥呢？直到我接觸到根瘤菌才明白其中的緣由。豆科植物根部有一種叫做根瘤菌的微生物，它可以在常溫常壓的條件下把空氣中的氮氣轉化成植物可以吸收的氨氣。
在新中國成立初期偉大領袖毛主席就曾有"深挖洞，廣積糧，不稱霸！"的口號，當時很多的農村都修建有儲存糧食的水泥洞，還有一種叫做氨水池的水泥做的池子，這種有著刺激性氣味的氨水是當時使用的一種氮肥。因為氮氣非常穩定，工業上採用高溫高壓、鐵做催化劑的條件才能生產出氨氣。不要小看這個看上去非常簡單的化合反應，從1727年哈爾斯發現氨氣到1913年第一個工業合成氨工廠正式投產，前後經歷了一百八十多年的時間。
讓我們先回到1727年，英國的化學家哈爾斯用氯化銨和熟石灰的混合物在用水封閉的曲頸瓶里加熱，結果不見有氣體放出，水卻被吸進了曲頸瓶中。這是人類第一次通過化學方法在實驗室中製備得到氨氣。1774年普利斯特里重新做了這個實驗，他用汞代替了哈爾斯用來封閉曲頸瓶的水，結果製得到了鹼空氣——氨氣，並且通過實驗證明了氨是氮和氫的化合物，後來戴維繼續研究發現"2體積的氨氣在電火花的作用下可以分解成1體積的氮氣和3體積的氫氣"。1900年法國化學家勒夏特列最先研究氫氣與氮氣在高壓條件下合成氨氣，非常可惜的是實驗過程中發生了——爆炸，因為他使用的混合氣體中混進了空氣，更加遺憾的是他在沒有查明事故原因的前提下放棄了實驗。再後來德國著名化學家能斯特因為使用了錯誤的熱力學數據導致在合成氨的工藝價值研究上折戟沉沙。科學家們在在合成氨的研究上遇到了前所未有的困難。但是德國的化工專家哈伯和他的學生勒▪羅塞格諾爾仍然堅持著系統地研究，常溫下氮氣與氨氣反應，沒有製得氨氣，又採用電火花引燃氮氣和氫氣混合氣體的方法，耗費了大量的電量，卻只獲得了少得可憐的氨氣。後來他們通過實驗和理論計算發現，讓氫氣和氮氣在600攝氏度左右和200個大氣壓下大約可以生成8%的氨氣，如果通過循環加工和不斷分離出氨氣可以有效提高的產率。終於在採用鋨和鈾做催化劑的基礎上得到產率高於6%的氨。隨後哈伯帶著他的研究成果去當時非常知名的一家純鹼公司做示範，結果實驗當天就由於承受不住內部壓力，設備就出現了洩露，在修補了損壞部位後他們得到了液氨，還沒來得及慶祝，第二天這套設備就因為爆炸事故變成一堆廢鐵。幸運的是這家公司——巴登公司非常認同這種氨合成技術的經濟價值，耗費巨資繼續研究，期望儘快付諸工業生產。經過波施等化工專家的努力，終於在1910年建成了第一座合成氨實驗工廠，1913年建立規模化的合成氨工廠。正是這家工廠在第一次世界大戰期間為當時的德國提供了用來生產化肥的原料和生產炸藥的原料，所以很多人都說氨是天使——他使無數人從飢餓中走出來（1847年德國就爆發過搶奪糧食的"土豆革命"），也有很多人說氨是魔鬼——因為他助推當時的德國發動第一次世界大戰。
當年哈爾斯實驗中採用的方法現在依然被廣泛應用於實驗室製備氨氣，實驗中倒吸的意外現象還被後人設計成更加有趣的噴泉實驗，如果水中提前加入合適的指示劑還可以做出有顏色的噴泉，更有甚者是彩色的噴泉！
對於氨氣的"天使"和"魔鬼"之爭，究其根本原因還是人的價值觀問題（就如同有人用菜刀殺了人，而菜刀表示"我也很無辜"），也和氨氣因性質不同導致在工業上兩個應用方向的選擇有關。花開兩朵各表一枝，先說因氨氣有鹼性可用於製備銨態氮肥。
1920年前後，有人發現利用焦爐煤氣中的氨和二氧化碳反應可製取碳酸氫銨，並試圖把它作為氮肥使用，但未獲成功。長期以來僅少量生產，主要用做食品工業中的發泡劑。1958年，中國迫切需要發展化肥工業，由化工專家侯德榜開發成功了生產碳酸氫銨的新工藝。其特點是把碳酸氫銨的生產與合成氨原料氣淨化（脫除二氧化碳）過程結合起來，稱為聯碳法生產碳酸氫銨工藝，從而簡化了流程，降低了能耗，減少了投資。在侯德榜的聯合制鹼工藝中得到副產物——氯化銨，也是一種氨態氮肥。硫酸銨中的硫酸根可以與土壤裡鈣離子形成較多硫酸鈣，會破壞土壤結構，發生板結。因此，它的生產和施用日漸減少。但是，蔥、蒜、麻、馬鈴薯、油菜等喜硫、忌氯作物仍要施硫酸銨。硝酸銨是氨態氮肥中含氮量最高的但是它在使用過程中注意需要防爆。目前農業生產中使用最廣泛的氨態氮肥是碳酸氫銨，碳酸氫銨受熱易分解生成生成氨氣、二氧化碳和水，所以農民朋友在保存這樣的氮肥是需要密封避光保存。人們很早就發現銨態氮肥中的銨根離子可以與鹼反應，所以一般銨態氮肥不與草木灰等鹼性肥料混合使用。在實際生產過程智慧的勞動人民也會開發出一些比較有創意的用法。利用碳酸氫銨能和酸反應這一性質，將碳酸氫銨放在蔬菜大棚內，將大棚密封，並將碳酸氫銨置於高處，加入稀鹽酸。這時，碳酸氫銨會和鹽酸反應，生成氯化銨、水和二氧化碳。二氧化碳可促進植物光合作用，增加蔬菜產量，而生成的氯化銨也可再次作為肥料使用。正是因為大量的化工生產的氮肥的使用使糧食的產量大幅增加，解決億萬人民的溫飽問題，所以人們稱氨氣為人類的天使。
工業合成氨的另外一個重要影響就是為氨氧化法制硝酸提供了充足的原料，使得硝石法（濃硫酸與硝酸鈉反應）制硝酸被取代。氨氣中的氮元素是負三價，所以它具備較強的還原性，可以被空氣中氧氣氧化，因此涉氨冷庫需要做好氨氣的防火防爆措施。氨氣和氧氣在平常的條件下反應更容易生成性質穩定的氮氣，因此聰明的化學家利用催化劑的選擇性，選擇合適的催化劑讓氨氣與氧氣反應生成一氧化氮的化學反應速率遠大於生成氮氣的反應速率在工業利用氨氣製備一氧化氮、二氧化氮，進一步製備得到硝酸。
硝酸俗稱硝鏹水，有著非常強的氧化性和腐蝕性。以要求人家叫他化學家而自豪的範▪海爾孟自稱"火術哲學家"，他就發現利用蒸餾鐵礬的方法可以製得硫酸，用等重的硝石、礬、明礬首先乾燥，再混在一起，然後蒸餾可製得硝酸，這位對波義耳產生重大影響化學家還知道硝酸能把硫磺變成硫酸。他還把硝酸稱為"萬用溶劑" ，因為他發現植物或橡樹燒成的木炭溶於這種"萬用溶劑"，他還發現溶解在"萬用溶劑"中的銀和銅並不是被消滅了，用適當的方法還可以使其還原。發現這一切的這位化學家是一位生活在17世紀的布魯塞爾貴族，他的學術在當時非常權威，以至於波義耳經常援引他的著述。
幾百年後這個萬用溶劑又派上了用場。當時的納粹德國政府要沒收勞厄和弗蘭克分別於1914年和1925年獲得的諾貝爾獎牌，他們輾轉來到丹麥，請求當時的物理學獎得主波爾幫助保存。1940年德國佔領丹麥，同在實驗工作的一位化學家（1943年諾貝爾化學獎得主）將獎牌溶到了一種溶劑中，來搜查的德國士兵竟然沒有發現實驗室架子上的溶液瓶中就溶解著他們要搜查的獎牌。這種溶液叫做"王水"，是濃硝酸和濃鹽酸的混合物。
提到硝酸我們不得不說偉大的化學家諾貝爾研究的是炸藥，他研製出了硝化甘油來作為炸藥，並積累大量的財富後設立"基金"，獎勵在科學研究領域做出突出貢獻的科學家。一直到現在硝酸都是炸藥製備的主要原料，而正是當年哈伯研製出了利用氮氣和氫氣大量合成氨的生產方法，才使得當時的德國能夠擺脫硝石的進口，轉而利用氨氧化法制備硝酸，進而生產用於戰爭的炸藥，這從一定程度上促成德國發動第一次世界戰爭，因此有很多人把氨氣稱之為"魔鬼"。
不得不說我們人類的活動越來越多的參與到氮元素在自然界中循環中來，隨著大量的氮肥的使用，在增加糧食產量的同時，也使水體中氮元素的含量不斷增加，某些區域已經出現了水體的富營養化，導致"赤潮"或"水華"等生態環境現象的出現。自然界中雷電產生的少量一氧化氮轉變成硝酸可以作為植物生長的氮肥，可是日益增長的汽車消費急劇增加了空氣中氮氧化物的含量，氮氧化物和碳氫化合物受到太陽紫外線的照射，會發生一系列由光引發的光化學反應，產生臭氧和過氧乙酰硝酸酯等有毒物質，而形成一種淺藍色的煙霧——光化學煙霧。同時空氣中的氮氧化物的還是形成酸雨的主要原因之一。
為了減少人類活動對氮循環和環境的影響，可以減少進入大氣、陸地、海洋的有害物質數量，同時應保護森林，植樹綠化增強生態系統對有害物質的吸收能力。
空氣含有氮，量多又穩重；化合是固定，固定才吸收；優雅如天使，暴躁如魔鬼；到底黑與白，全憑如何用。
氮的氧化物會導致空氣的汙染，同時也是酸雨產生的主要原因，還有另外一種元素他的氧化物也是一種主要的大氣汙染物，同時也是形成酸雨的罪魁禍首。連載進行中，敬請關注我們，期待下集《最早的煉丹原料和最純的燃素》。如果您發現我們行文中有任何不妥之處，歡迎批評指正。
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