伴随着社会的发展--以合成氨工业生产条件的选择为例_合成氨工业论文

与社会发展相伴随行——以“合成氨工业生产条件选择”为例（上），本文主要内容关键词为：合成氨论文,为例论文,社会发展论文,生产条件论文,工业论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      这是化学教学中一个很典型的事例。当从化学组成的角度获知甲烷分子为

时，如果询问没有前期学习经历的学生：“甲烷的分子空间构型如何？”大多数学生都会毫不犹豫地说：“正方形！”问题的最终解决是通过检测甲烷的二元取代物没有同分异构体，从而在正四面体和正方形两个不同空间构型之间做出了肯定的选择。有趣的是，如果追寻人类研究物质结构与性质的历程会发现，人们最早对饱和碳原子成键的空间构型的设想就是平面的。从平面的构想到三维空间的实证，无论是人类的探究历程还是学生的学习体验，都体现着人的认知空间的扩展和认知水平的成长。

      因此，从大的时间和空间尺度上理解自然科学教育的意义就会发现，在教学过程中始终存在着两个“人”的相互关联。一个是显性的以学生为主体的个性化的“小人”成长，另一个是隐性的以人类对自然的认知为蓝本的群体性的“巨人”发展。从认知的角度研究“小人”与“巨人”之间的关系，会惊奇地发现，“小人”随着年龄的增长，其对周围世界的认知与自古以来“巨人”对世界的认知在很多“时间节点”上是很契合的。如远古时代的人类对自然的认识是朴素而粗浅的，这就像一个人的孩童时代；近现代的人类对自然的认识逐渐地科学而精细起来，正如一个逐渐成长着的年轻人对世界的理解。

      因此，在中学化学教学中，融合化学科学发展历史的教学，不应仅仅只是将若干历史事件孤立地呈现在学生面前，而更应追溯“巨人”的成长，从中感知前人在探索和改造自然的过程中所经历的认识与思考、徘徊与决断、偶然与必然、挑战与机遇……这不仅给了学生以思维能力与科学方法层面的启迪，更重要的是让学生在这些历史事件的进程中理解了其中每一个人的努力和探索，不管成功与否，都构筑着人类文明进步的阶梯，这是一种人格上的完善。在这种“小人”与“巨人”的契合之中，学生看到的不仅是过去已经发生的事，而且他们会关注事件的持续发展，甚至为可能成为事件发展的参与者做着最初的心理准备。

      在“合成氨工业生产条件选择”的教学中，我主要选取“合成氨”从实验室走向工业化的历史素材，展示人类在通过“氮的固定”参与自然界氮元素循环过程中所做出的种种努力，让学生理解化学原理与生产实践之间的关联。

      氮素固定是我们这个星球上持续生产力的一个重要生态反应。虽然大气中78%的组分为

，

在大气中的储存量约有4000万亿吨，但是

并不能被绿色植物直接吸收而转化为生命有机体所必需的氨基酸、蛋白质等诸多含氮有机物。据有关资料记载，全球范围内每年输入陆地生态系统的总氮量约在两亿吨左右，其中2/3来自生物固氮（亦即有1/3是人类的行为主动参与了氮素循环）。随着人口的增长，世界粮食生产的前景不容乐观，能源和肥料的价格变化是一个严重的问题。

      诺贝尔化学奖得主G..T.西博格在纪念美国化学会成立100周年大会上演讲时说：“无论过去、现在和可预见的将来，再也不能找到任何一门其他工业，比化肥工业更直接关系到国计民生了……无论从经济的发展还是人类的进步而言，合成氨的发明都是本世纪科学领域中最辉煌的成就之一。”

      因此，对“合成氨以及合成氨工业生产条件的选择”的讨论，就在历史和现实的时空交互、“巨人”和“小人”之间的对话中展开了。

      一、问题的提出

      “1898年英国著名物理学家克鲁克斯提出：‘由于人口的增加，土地变得狭窄了，长此下去，粮食不足的时代就会到来，解决的方法是必须找到新的氮肥。’”

      二、问题解决的经典化学方法

      面对事关人类生存与发展的重大问题，化学家责无旁贷，理所应当做出积极响应。

      

      然而

反应的高能耗，仍使得化学家对此反应的工业化心存顾虑。

      三、利用可逆反应解决问题中的偶然与必然

      “1900年奥斯瓦尔德教授用铁丝作催化剂，将

分解为氢气和氮气，反过来又使容积6%的氮气和氢气合成氨。”

      “以能斯特和哈伯为代表的研究小组几乎同时尝试用

和

直接化合的方法合成氨。1907年哈伯选择锇或铀作催化剂，在550℃、150~250atm下得到8.25%的氨，第一次获得0.1 kg的氨。与此同时，能斯特选择铂粉、锰作催化剂，在685℃、50atm下得到0.96%的氨。”下页表1所示为具体的反应条件。

      

      如何看待能斯特和哈伯的研究？作为历史的旁观者，今天的学生依据他们所具有的化学平衡移动原理的知识和合成氨反应的特点（

ΔH＜0），对合成氨反应是有其理性判断的，这就是高压和低温更加有利于合成氨。比较能斯特和哈伯的实验结果，学生不难发现，哈伯采取的生产条件都比能斯特的更加有利于氨的合成。

      然而，想象20世纪初能斯特和哈伯对合成氨的实验研究，也许是他们各自的实验设备不一样，也许是他们在无意识中对“高压”“低温”理解的不同，从而直接导致了最终实验结果的差异。孤立地考察能斯特和哈伯的实验，其实验结果的获得是偶然的。但是将两者的实验结果加以比较，不难理解哈伯的实验获得更为出色的实验效果有其必然的原因，同时也正是能斯特的实验印证了哈伯的研究在反应条件选择方向性上的正确性。由此可见，合成氨的成功不仅仅是哈伯一个人的成功，而是承载着诸多人的共同努力。

      四、合成氨反应过程的优化

      “在合成氨反应的平衡状态研究中处于领先地位的哈伯在1909年又提出了‘循环’的新概念：让没有发生化学反应的氮气和氢气重新返回到反应器中，把已经反应的

通过冷凝分离出来，这样周而复始，以提高合成氨的获得率，使流程实用化。当年7月2日，哈伯在实验室制成了一座小型的合成氨装置模型，这种装置魔术般地以每小时0.08 kg的速率合成着氨。”

      哈伯使用“循环”概念的意义何在？

      根据合成氨反应中的

在平衡混合气中所占的体积分数的数据，学生可以发现在哈伯的合成条件下，

在平衡混合气中所占体积分数只有20%左右。因此，哈伯提出的“循环”概念在原料利用方面有着重要意义。在今天看来如此理所当然的原料“循环”使用的方法，在合成氨的历史上却是一个具有革命性的改进和创造！

      面对以上化学史实，学生又会有新的困惑：

的沸点为-33.5℃，为何在常温下用冷却水就能将其液化？

      生活经验会向学生揭示这样的事实：伴随着气压的增大，物质的熔沸点将随之升高。伴随着教师向学生展示了推算出的

在不同压强条件下的沸点数据（如表2所示），学生可以发现在哈伯的实验条件下，

的沸点大约在160℃以上，他们能够真切理解并想象

和

在“循环”反应下的动态过程。

      

      至此，学生在对历史的回顾中，对合成氨反应的有利条件和生产措施有了初步而清晰的认识：高压、低温以及及时分离液氨形成原料气（

和

）的循环利用。

      五、合成氨过程的工业化进程中的事件

      “1900年奥斯瓦尔德教授用铁丝作催化剂，将

分解为氢气和氮气，反过来又使容积6%的氮气和氢气合成氨。为此，他向德国巴登苯胺纯碱公司（BASF公司）请求援助资金100万马克。该公司的年轻化学家博施发现其中存在问题。”

      “1909年，博施亲眼看到了哈伯‘循环’反应过程中液氨滴落的情况。巴登苯胺纯碱公司立即买下哈伯合成氨的专利，并将其全部研究成果接受下来。‘不管生产工艺如何改进，合成氨的售价如何下降，巴登苯胺纯碱公司每售出1t氨，哈伯分享10马克，其收入永不改变。’”

      “随后，博施又解决了合成氨工业化进程中的两大难题。其一是催化剂的筛选；其二是反应塔的耐压问题：在工业化生产的实验中，钢壁厚达3 cm的耐高压的反应塔仅使用3天以后就破裂损坏。博施对破损的碎片进行研究后大吃一惊，没想到的是在高温、高压条件下，小分子

会渗透到钢壁内部，与碳粒发生反应生成甲烷，减弱了钢的内部结构强度，导致钢材破裂。”

      怎么办？“博施巧妙地将反应塔的内衬改为耐腐蚀性能强的合金材料，外层采用钻有小孔的钢板。这种双层构造，使得反应塔能够经受起高温、高压和高腐蚀性的考验。博施在1931年获得诺贝尔化学奖时说：‘合成氨的整个发展，很大程度上是依靠这个简单的解决办法。’”

      以上素材在教学中的使用，给学生带来的感悟是多方面的：在当时的巴登苯胺纯碱公司的决策以及合成氨的工业化进程中，可以感受到博施以他敏锐的判断力和丰富的想象力而做出的杰出贡献。博施在双层反应塔的构想中不仅展示了在解决问题中具有对称性的创造性思维，而且也体现出创新过程中的逻辑关系：内层的合金材料保证了反应塔的密封性，同时虽仍会有

渗透，但是没有能与之反应的碳，不会导致合金材料的腐蚀；外层对内层起到支撑作用，使反应塔能够承受高压；即便有微量的

从内层合金材料中逃逸出来，也会透过小孔迅速扩散，而不能与钢材中的碳反应，避免了钢材的腐蚀。一如人们从对燃烧条件的认识寻求灭火的方法，从对钢铁腐蚀原理的了解形成金属材料的防护等，从思维的逻辑关系上看都如出一辙。受人们生活环境的影响，我们熟知的金属材料腐蚀通常都与

的氧化行为相关，而在以上特殊条件下，金属的腐蚀竟然也与

的还原行为有关，这是有趣而意外的。如同哈伯最终得到巴登苯胺纯碱公司的认同，只能说明“智慧孕育财富”。

      六、对合成氨工业化以后的反思

      “

的合成是化肥工业的基础，化肥的使用成为农业增产中的重要利器（如表3所示）。”

      

      表3所示虽只是某项研究的局部数据，但是从一个侧面说明使用化肥有利于粮食增产；同时也说明随着化肥施用量的增加，对粮食增产产生的影响也逐渐达到极限。此时，学生自然联想到人类利用生物技术在粮食增产方面所做的努力。但是相伴而来的有关食品中的基因安全，也成为他们认为应该谨慎对待的问题。

      “然而，在数据中能够看到的是化肥施用对粮食增产产生的影响，看不到的是在化肥施用的过程中，人们为了满足粮食的需求，往往在耕作上放弃了传统的轮作制度，单纯增加复种指数，加重了土地负担，以致造成耕地的不可逆破坏，最终损害了农业的生态系统。”

      有解决上述问题的新途径吗？向自然学习，伴随着人们认知能力和技术手段的提升，生物固氮（包括化学模拟生物固氮）就成为集中物理学、化学、生物学等各学科研究工作者的新研究领域。由此可见，解决因人口增加而带来的粮食危机，是世界范围内人们共同的努力方向。

      至此，从历史的角度对合成氨工业生产条件选择进行的粗略而系统的介绍与讨论，将相关化学问题、原理与化学发展背景相融合。在寄希望提升学生的学习能力和思维方法的同时，可以使学生感受合成氨工业在国计民生中的伟大成就，并能够了解合成氨工业在粮食增产方面的局限性；让学生在体会合成氨工业发展遭遇的困难与艰辛的同时，也能理解解决与克服这些困难与艰辛的途径。教学不能只是单纯的训练，通过对历史的回顾，不是希望学生成为历史的旁观者，而是希望学生从历史的回顾中感受事物发展的方向，感悟前人历经曲折不断向前的勇气与责任。面对未来的社会，他们将要也必将成为其中的一员。

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