师：各位同学好，今天我们一起来学习氮的固定第二节课——人工固氮。为什么要固氮呢？因为我们需要氮肥。19世纪初，工业革命席卷欧洲，人口大规模增长，人类对粮食的需求日益增加。科学家们早就发现，氮元素是农作物生长的必需元素。然而，仅靠自然界的生物固氮和高能固氮，远远不能满足农业生产对氮元素的需求，人类即将面临粮食严重短缺的危机。

　　当时的欧洲，采用人畜粪便、臭鱼烂虾等有机肥，但有机肥肥效较慢。幸好大自然馈赠丰富，科学家们找到了储量丰富的智利硝石矿。面对粮食短缺、人口增长、稀土矿过度开采等问题，科学家们心系天下，开始行动起来。

　　1898年，英国科学家克鲁克斯率先呼吁，号召科学家们立刻着手研制可大量合成的新型肥料，特别是把空气中大量存在的氮单质，转化成种植小麦时不可或缺的含氮肥料。科学家们、企业家们响应号召，迎接挑战，共克难关，展现出令人赞叹的科学态度与社会责任。

　　师：同学们，你们觉得向空气要氮肥容易吗？我们知道，氮单质约占空气4%的体积，然而，要将氮转化成化合态的氮，最后被动植物吸收，并非易事。科学家们不断探索研究，在这个领域，诞生了许多做出突出贡献的科学家。

　　人工固氮技术被誉为20世纪最伟大的成就之一。今天，老师带大家了解一段化学史，认识在合成氨领域做出突出贡献的科学家们。为响应克鲁克斯的号召，科学家们行动起来。在合成氨领域，陆续有三位科学家获得诺贝尔化学奖。

　　第一位是德国化学家哈伯，他发明了合成氨工艺。接着，德国科学家博施进一步改进合成氨工艺，使其能够投入大规模工业生产，并于1931年获得诺贝尔化学奖。在改造催化剂过程中，米塔斯也做出突出贡献。到2007年，德国科学家埃特尔也获得诺贝尔化学奖。

　　师：从第一次在实验室成功制得氨，到氨大规模工业生产，经历了怎样的过程呢？德国化学家哈伯设想将空气中的氮和氢气合成氨，但遇到两个难题。一是氮原子间有稳定的氮氮三键，两个氮原子很难分离；二是合成氨过程产生大量热，生成物氨容易受热分解。

　　面对这两个问题，哈伯在实验室做了无数次尝试。1905年，哈伯终于在实验室成功将空气中的氮合成氨，这是一项伟大发现。哈伯在著书中记载了部分研究成果：在一个标准大气压、1000摄氏度下，以铁作催化剂，氮气与氢气反应，产生0.01%的氨。但这一成果遭到当时瓦尔特·能斯特的质疑，他在50个标准大气压、1000摄氏度的反应条件下，只得到0.003%的氨。

　　然而，哈伯实验室的田丸吉郎通过精确测量与氨形成反应热的气体比热，推导出各种压力和温度下的平衡常数。1907年的这一成果，直接否定了能斯特的质疑，也为氨的工业生产提供了理论依据。实际上，1901年哈伯就获得从空气中合成氨方法的专利。但因实验装置爆炸导致助手死亡，他放弃了增加压力提高产率的研究。

　　此外，其他科学家还开发出高压放电，由氮和氧生成一氧化氮并合成硝酸的方法，以及从电石合成氨的方法，且当时已投入实际使用，但成本太高。工业化应用的大前提是成本低、收益高。

　　用实验消除能斯特的质疑后，1909年哈伯改用锇作催化剂，在175个标准大气压、550摄氏度下，每小时成功合成80克氨。