《中学化学教学参考》 发表于 2014 年第 8 期
第1页
与社会发展相伴随行
— 以《合成氨工业生产条件选择》为例（上）
江敏 南京市金陵中学（210005）
摘要 从历史的角度看自然科学知识的形成和学生的认知过程在时间以及
发展方向上具有一致性。本文以《合成氨工业生产条件选择》为例，以合成氨工
业发展进程为主线，展现前人不断追寻探求的历程，在对各阶段的化学事件的疑
问、思考和理解中，使学生逐层次理解合成氨工业生产条件的意义。
关键词 合成氨 工业发展 认知过程
这是化学教学中的一个很典型的事例。当从化学组成的角度，获知甲烷分子
为 CH
4
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
多数同学都会毫不犹豫地说：“平面正方形！”。问题的最终解决是通过甲烷的二
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，如果追寻人类对物质结构与性质的研究历程，人类
最早对饱和 C 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，另一个是隐形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，在“小
人”随着年龄的增长，其对周围世界的认知，与自古以来人类的“巨人”对世界
的认知在很多时间节点上是相互契合的。如远古时代的人类对自然的认识是朴素
而粗略的，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，不应仅仅是将若
干历史事件孤立地呈现在学生的面前，而更应追溯人类“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
《中学化学教学参考》 发表于 2014 年第 8 期
第2页
然、挑战与机遇等。这 不仅给学生以思维能力与科学方法层面的启迪，更重要的
是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“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。
《合成氨工业生产条件选择》的教学，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
作的种种努力，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 N
2
，大气中储存的 N
2
约有 4000 万亿吨。但是 N
2
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
中三分之二来自生物固氮（亦即有三分之一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相当严酷，能源和肥料的价格是一个严重
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”的对话之中展开了。
1．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”。
2．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。
1902 年化学家弗兰克和卡勒把碳化钙用电炉加热到 1000℃以上，使它与空
《中学化学教学参考》 发表于 2014 年第 8 期
第3页
气中的氮气反应而制成石灰氮（2CaC
2
+ 2N
2
+ O
2
== 2CaCN
2
+ 2CO），生成的氮
化物进一步水解，就可以获得 NH
3
（CaCN
2
+ 3H
2
O == CaCO
3
+ 2NH
3
↑）。
如何理解用碳化钙和氮气反应制取石灰氮的反应？仔细端详上述反应，同学
们隐约发现这是他们第一次接触到的氮气单质参与非金属间的置换反应（CaC
2
+
N
2
== CaCN
2
+ C）。然而从化学反应进行方向的角度看，该反应虽然从能量上是
有利的，但却是一个熵减反应。怎么办？让氧气 O
2
介入！这无疑既能强化能量
的有利局面，又能使反应熵值增加（2C + O
2
== 2CO △H<0，△S>0）。这样碳
化钙与氮气的置换反应就演变为 2CaC
2
+ 2N
2
+ O
2
== 2CaCN
2
+ 2CO。联系在用
化学方法冶炼金属铝中的关键一步（将 Al
2
O
3
转化为 AlCl
3
）中 C 元素单质的运
用（Al
2
O
3
+ 3Cl
2
+ 3C == 2AlCl
3
+ 3CO）。 此时的“耦合反应”虽然不是教材中
需要介绍的概念，也不是需要在教学中引入的文字，但是“耦合反应”的方法已
然成为学生们在实际化学问题解决中，能够尝试应用的一种切实可行的工具，同
时他们也能体会到在十九世纪末的化学家们熟练利用“耦合反应”的方法，解决
化学研究领域重大问题中的心路历程。
然而 2CaC
2
+ 2N
2
+ O
2
== 2CaCN
2
+ 2CO 反应的高能耗，仍使得化学家对此
反应的工业化仍心存顾虑。
3．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做催化剂，将 NH
3
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。
能斯特和哈伯为代表的研究小组几乎同时尝试用 N
2
和 H
2
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℃，150~250 大气压下，得到 8.25%
的氨。第一次获得 0.1kg 的氨。与此同时，能斯特选择铂粉、锰作催化剂，在 685℃，
50 大气压下，得到 0.96%的氨。
《中学化学教学参考》 发表于 2014 年第 8 期
第4页
研究者
压强/atm
温度/℃
催化剂
反应结果
(平衡混合气中 NH
3
所占体积分数)
能斯特
50
685
铂粉、锰等
0.96%
哈伯
150~250
550
锇或铀
8.25%
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（N
2
+ 3H
2
2NH
3
△H<0），他们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，学生们不难发现，哈伯采取的生产条件
都比能斯特更加有利于氨的合成！
然而想象着二十世纪初，能斯特和哈伯在合成氨的实验研究中，也许是他们
各自的实验设备不一样，也许是无意识中对“高压”、“低温”理解的不同，这就
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
为出色的实验效果是有其必然的原因，同时也正是能斯特的实验，印证了哈伯研
究在反应条件选择的方向性上的正确性。由此可见，合成氨的成功不仅仅是哈伯
一个人的成功，而承载着诸多人的共同努力。
4．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 NH
3
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，
这种装置魔术般的以每小时 0.08kg 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 NH
3
在平衡混合气中所占的体积分数的数据
[ n(N
2
) : n(H
2
) = 1 : 3 ] ，学生们可以发现在哈伯的合成条件下，NH
3
在平衡混合
气中所占体积分数大约只有 20%左右。因而哈伯提出“循环”的概念在原料利用
方面是有着重要意义的。原来在今天看来如此理所当然的原料“循环”使用的方
《中学化学教学参考》 发表于 2014 年第 8 期
第5页
法，在合成氨的历史上却是一个具有革命性的改进和创造！
然而面对以上化学史实，学生们又会有新的困惑：NH
3
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 NH
3
在不同压强条件下的沸点数据，学生们可以
发现在哈伯的实验条件下，NH
3
的沸点大约
在 160℃以上，他们能够真切理解并想象 N
2
和 H
2
在“循环”反应下的动态过程。
至此，学生们在对历史的回顾中，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（H
2
和 N
2
）的循
环利用。
5．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做催化剂，将 NH
3
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 1 吨氨，
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 3cm 的耐高压的
反应塔仅使用 3 天以后就破裂损坏。博施对破损后的碎片进行研究以后大吃一
惊，没想到的是在高温、高压条件下，小分子 H
2
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，导致钢材破裂。
表 1 在不同压强下氨的沸点
压强/MPa
沸点/℃
0.1
-33.5
1
25
2
48
5
86
10
121
20
164
50
237
《中学化学教学参考》 发表于 2014 年第 8 期
第6页
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，给学生们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出在
解决问题中具有对称性的创造思维，而且也体现出创新过程中逻辑关系：内 层的
合金材料保证了反应塔的密封性，同时虽仍会有 H
2
渗透，但是没有能与之反应
的 C，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 H
2
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等，从思维的逻
辑关系上看都同出一辙；受人们生活环境的影响，我们通常熟知的金属材料腐蚀
通常都与 O
2
的氧化过程相关，而在以上特殊条件下，金属的腐蚀竟然也与 H
2
的还原行为有关，这是有趣而意外的；如果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”。
6．对合成氨工业化以后的反思
NH
3
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。
表 2 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作的努力。但是相
表 2 化肥用量与粮食增产的相关性
年代
粮食单产/kg
每亩施用化肥用量/kg
1950
190
50
1960
340
135
1976
365
155
《中学化学教学参考》 发表于 2014 年第 8 期
第7页
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，人们为了满足为粮食的需求，往往在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
等各学科的研究工作者的新研究领域。由此可见为解决因人口增加而带来的粮食
危机，是世界范围内人们的共同努力。
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、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；在体会合成氨工业发展中遭遇
的困难与艰辛的同时，也能理解这些困难与艰辛的解决与克服的途径。教学不能
是单纯的训练，对历史的回顾，不是希望学生们成为历史的旁观者，而是从历史
的回顾中感受事物发展的方向，在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。
参考文献
1．《20 世纪的科学技术》 李立钢 刘博 主编 新时代出版社 1998 年 2 月
2．《重要化学史实》 袁翰青 应礼文 合编 人民教育出版社 1989 年 6 月
3．《化学通史》 赵匡华 主编 高等教育出版社 1990 年 5 月
4．《固氮之光》 洪国藩 宋鸿遇 主编 湖南科学技术出版社 1997 年 8 月
