人类是何时实现火药自由的？

自从发明火药以来，人类制造火药就离不开硝石矿作为原料，无论是最早发明的黑火药还是后来的黄火药（即TNT，全名“三硝基甲苯”）。不过，硝石矿作为一种不可再生的自然资源，终究有限，不可能支撑人类无限地制造火药。因此，如果想要无限地制造出源源不断的火药，就必须找到一个稳定可靠的原料来源，而这个来源科学家们很早便盯上了，那就是空气。空气中有78%的气体是氮气，只要能将氮气转化为氨气，就可以简单地将其转化为与硝石主要成分相同的硝酸钠。到时候，火药想要多少有多少。

17世纪后期开始，欧洲列强在印度恒河的旧河道上发现了硝石矿，进行了掠夺性的开采。到了19世纪中叶，印度的硝石资源基本枯竭。还好，殖民者又在南美洲智利发现了更丰富的硝石矿。在智利和秘鲁边界的安托法加斯塔大区，硝石矿带长达700多公里，宽20-30公里。智利的硝石被源源不断地运往欧洲。

19-20世纪的西方，马尔萨斯的人口资源理论大行其道。马尔萨斯认为，人的数量以几何级数不断地增加，而自然资源是有限的。最终有限的资源将被大量的人口耗尽，人类文明将走向崩溃。智利的硝石矿虽然多，毕竟还是不可再生资源，终究会有用尽枯竭的一天。所以欧洲各国纷纷开展研究，寻求替代硝石矿的方法。

1898年，英国皇家学会会长克鲁克斯呼吁科学家立即行动起来，着手研制可大量合成的新型肥料，尤其是把空气中大量存在的氮气转换成种植小麦时不可或缺的含氮肥料。

1900年担任莱比锡大学化学系教授、后来于1909年获诺贝尔化学奖的德国学者威廉·奥斯特瓦尔德（Friedrich W. Ostwald,1853-1932）决定响应克鲁克斯的号召，启动直接用氮气和氢气合成氨的研究。不过，他最初的动机是为了预防德国的硝石运输线被英国海军切断的不测。此前，已有很多人从事过合成氨研究，但大都没有取得实质性的进展。奥斯特瓦尔德是催化研究领域的专家。他认为合成氨的关键在于实现温度、压强和触媒之间的平衡。他在实验中发现，使用铁丝做触媒，对氮气和氢气进行加热后可获得一定量的氨。

奥斯特瓦尔德的这一发现，总算是撕开了将空气中的氮气转化为氨气的一个口子，实现了从0到1的突破，但是通过奥斯特瓦尔德的方法合成的氨产量实在太低，根本无法实现工业化。因此，在后来奥斯特瓦尔德试图将这项技术高价卖给巴斯夫公司时，巴斯夫公司有关负责人让进公司还不到一年的卡尔·博施（Carl Bosch,1874-1940）对奥斯特瓦尔德的合成氨实验进行了追试，博施的追试实验不尽如人意，并与奥斯特瓦尔德发生争执，最后虽然巴斯夫公司买下了奥斯特瓦尔德的专利，但奥斯特瓦尔德也在一气之下决定不再从事合成氨研究。

1904年到1908年，弗里茨·哈伯进行了潜心研究。他提出合成氨反应是一种可逆反应，氢气和氮气在生成氨气的同时，氨气也在不停地分解成氢气和氮气。只有控制好适当的温度和压强，使得化学反应处于恰好的平衡点，才能得到理想浓度的氨气。对此，哈伯和物理化学家能斯特合作，测定了在常压和30个大气压下，0℃-700℃之间合成氨反应的氨平衡浓度，获取了详细的平衡数据。测定出氨平衡浓度后，哈伯又去寻找合适的催化剂。有了催化剂就可以尽可能地降低化学反应所需的温度和压力，节约工业生产的成本。哈伯进行了2万次试验，最终取得了重大的突破。他用铀和碳化铀做催化剂，在12.5个大气压下，用500℃的温度，制取了10%浓度的氨气。至此，人工固氮有了大规模工业化生产的条件。

弗里茨·哈伯解决了理论问题之后，巴斯夫公司再次接手推动合成氨的工业化，而接手的依旧是之前提到的卡尔·博施。博施1909年夏开始主持合成氨项目中间试验研究时，面临的难题数不胜数，其中最大的三个难题是，廉价高效触媒的开发、高纯度原料气体的大量生产和大型耐高温高压合成反应装置的研制。最终，博施手底下的米塔斯小组开发出了高效廉价而且安全的由铁、氧化铝、氧化钾三者混合催化剂，成功解决了廉价高效触媒问题。之后，他们决定改用水蒸气与灼热的焦炭反应来制取氢气。问题是，生成气体中含有不少一氧化碳。为了清除氢气中的一氧化碳等有害气体，博施专门组建了一个攻关小组。该小组经过多方努力，终于开发出可大量制造高纯度氢气的工艺。1911年3月，博施又成功研制出了能耐高温高压的大型合成反应装置。自此，工业合成氨的所有问题全部得到解决，而博施的这套合成氨生产方法也被称为“哈伯-博施法”。

一战爆发前的1913年9月，世界上第一台工业合成氨设备在德国路德维希港投入运行，设计能力为年产9000吨的氨，九个月后，生产能力扩大9倍，达到了7.5万吨。根据工业生产中氨氧化法的转化效率，每1万吨氨通过氨氧化法可以生产出3万吨的硝酸，利用这些硝酸可制造3.5万吨烈性炸药TNT。也就是说，一战爆发时，德国已经具备了年产超过26万吨TNT的生产能力。这无疑给德国发动第一次世界大战提供了强大的底气，而且这还只是开始，德国的生产能力还将不断提升。1917年4月底，让洛伊纳工厂的大型合成反应塔实现了点火，该厂建成当年产量就冲到3.6万吨，到一战结束时的年产量急速攀升至16万吨。