作者：rabyan
一、因催化劑而爆發的世界大戰？
第一次世界大戰因催化劑而打響？這話聽起來，似乎就和春晚小品裡說的 「美國攻打伊拉克，是因為薩達姆偷了布什家的高壓鍋」一樣荒誕。歷史課本不是早就告訴我們：歷時4年多、波及全世界的第一次世界大戰，是帝國主義國家之間為瓜分世界、爭奪殖民地和霸權而進行的戰爭。世界大戰與催化劑，聽起來風馬牛不相及嘛！但這並非空穴來風，第一次世界大戰的爆發和進程，與催化劑的確有著緊密的聯繫。這還得從一個人說起，他就是德國物理化學家、合成氨的發明者——弗裡茨‧哈伯（Fritz Haber）。
翻開諾貝爾獎獲得者的長卷，你一定會馬上就找到弗裡茨‧哈伯。哈伯因在合成氨研究中做出的傑出貢獻而獲得1918年諾貝爾化學獎。眾所周知，諾貝爾科學獎是獎勵那些在自然科學研究中對人類做出重大貢獻的人。那麼，究竟什麼是合成氨呢？合成氨對人類又有什麼重要的意義呢？
19世紀末，隨著世界人口數量的快速增長，對糧食的需求量也日趨增大，怎樣在有限的耕地上生產出更多的糧食，成為橫亙在人們面前的一個現實的難題。科學家們通過研究發現，給土地施含有氮的肥料（也就是我們通常所說的氮肥），能有效地增加糧食產量。而同時，隨著各國軍事的發展，對炸藥的需求越來越大。在當時，生產炸藥需要消耗大量的硝酸（一種含氮的酸）。
說到氮，你一定不會陌生。時刻充斥在你周圍的空氣中就有它的身影。空氣中有78%是氮氣，看來，人們不必為生產化肥和炸藥的「糧食」而發愁了。但事情並沒有這麼簡單。空氣中的氮氣非常穩定，是個「老頑固」，很難和其他物質發生反應，自然也就很難變成人們需要的化肥和炸藥了。通常只有在打雷閃電的時候，少量氮氣才會「羞答答」地和空氣中的另一成分——氧氣發生反應，生成一氧化氮，再經過一系列的變化變成氮肥，隨著雨水落到土壤中（這也就是農諺「雷雨發莊稼」所蘊涵的科學道理）。一年當中，打雷的日子不會很多，「靠天吃飯」不是回事。幸好，自然界中還有大量含氮的礦物，如硝石，這些含氮礦物都能用於工業生產氮肥和火藥。因此，在19世紀，出於生產化肥和炸藥的大量需求，硝石成為了一種非常緊俏而重要的戰略物資。
但老天爺似乎不太公平，因為硝石在世界上的分佈並不均衡。南美洲的智利是當時硝石的主要產地，史稱智利硝石。而對硝石有巨大需求的歐洲，本身並不出產，只能靠大量的進口。一方面，硝石礦的蘊藏量有限，而需求卻在以很快的速度增長；另一方面，對於空氣中近乎於取之不盡的氮資源，人們卻不能加以利用，這實在是很可惜的事。於是，各國科學家紛紛致力於研究利用空氣中的氮氣生產氮肥和炸藥的方法。而其中最關鍵的一步，就是使極其不活潑的氮氣通過一定的化學方法，變成氮的某種簡單化合物。這在工業上稱為「人工固氮」，即將空氣中「飄忽不定」的氮「固定」下來。合成氨就是最重要的一種人工固氮方法。
作為一名優秀的化學家，哈伯也一直將人工固氮作為自己的一個研究課題。1905年，哈伯在赴美國考察後，回國採用了在高壓下放電進行固氮的研究（即模擬閃電時氮氣與氧氣的反應），實驗進行了約一年，但效果不很理想。不過，這點小失敗並未使哈伯灰心和放棄。當然，固氮並非只有氮氣與氧氣反應這「華山一條路」。在參考了其他科學家的經驗後，哈伯轉而研究氫氣和氮氣的反應。氫氣與氮氣反應能生成氨，氨是一種有刺激性氣味的氣體，是氮的一種重要的化合物。但由於氮氣極不活潑的「脾氣」，氫氣與氮氣的反應也很難進行。為了使氫氣與氮氣能反應，科學家們嘗試了大量的方法。但大量的實驗研究證實，即使在很高的溫度和很大的壓強下，氫氣與氮氣的反應也是極其緩慢的，根本達不到工業生產的要求。打個比方，就好像嚴重堵塞的水龍頭，滴了一天的水還不夠一個人喝的。
哈伯意識到，必須尋找到一種物質，能夠使氫氣與氮氣的反應加快速度，使「滴水」的水龍頭變成「嘩嘩流水」的水龍頭。終於，在歷經無數次失敗後，1909年，哈伯在實驗室採用600℃、200個大氣壓和用金屬鋨作催化劑的條件下，大大提高了合成氨反應的速度。當然，有了催化劑，距離實現工業化生產還有很長的一段路要走。於是，哈伯又同化工專家波施以及其他科研人員一起，對數千種不同配方的催化劑進行實驗，終於制得了比鋨價格低而催化效率更高的高效鐵催化劑；同時解決了如高溫氫氣對生產設備的腐蝕等一些合成氨實際生產中的技術難題。1911年，德國建成世界上第一座日產30 噸合成氨的工廠，這是人工固氮技術的重大成就，是催化劑在化學研究和化工生產中的勝利。
1914年，第一次世界大戰爆發前，德國已經設計建造完成多家合成氨工廠，並投入生產。工廠源源不斷地提供著製造化肥和炸藥的原料，而且，當時只有德國掌握了合成氨技術！德皇威廉二世認為，只要能源源不斷地生產出氨和硝酸，德國的糧食和炸藥供應就有保證，即使斷了硝石供應也沒有問題，這也更加堅定了威廉二世開戰的決心。與此同時，已經覺察到德國有發動戰爭傾向的外國首腦和軍事專家，由於不知道德國已經成功地實現了氨的合成，從而輕易地認為只要切斷硝石的供應，德國就無法生產炸藥！甚至在戰爭爆發後，他們還簡單地認為由於硝石的短缺，大戰將很快結束！事實完全相反，而這其中留給後人的教訓也是慘痛的。
當然，如果因此而將第一次世界大戰爆發的罪惡根源歸咎於合成氨和催化劑，歸咎於哈伯，則是毫無道理的。這就好像刀可以用來殺人，但造刀的人並非是持刀殺人犯的幫凶。而另一方面，合成氨推動了化肥工業及其他工業的迅猛發展，帶給人類的好處也是不可估量的。正因此，1918年，因戰爭中斷2年後恢復評選的諾貝爾化學獎授予了哈伯。哈伯的合作者波施也因在合成氨的工業化中作出的貢獻而在1931年獲得諾貝爾化學獎。
二、「慢性子」與「急脾氣」
現在，你可能已經對催化劑和催化作用有一定的認識了。是的，催化劑就是那些能改變化學反應速度的物質。而催化劑所起的作用就稱之為催化作用。在氮氣和氫氣合成氨的反應中，鐵就是催化劑，能加快合成氨反應的速度。
生活中我們經常遇到這樣的情況，有的人是急脾氣，做起事來風風火火，恨不得一下子把全部事情都做完；有的人則是慢性子，做起事來慢條斯理，經常拖拖拉拉的。不過，當碰到的事情十萬火急，已經「火燒眉毛」了，只怕慢性子也會變成急脾氣。打個比方，我們可以把這個迫在眉睫的事情看作是一個「催化劑」，它使得原本那些做事「緩慢」的人變得「急速」起來，從而「加快」了辦事的速度。危機關頭，手無縛雞之力的人也會變得勇猛異常，這也是一種「催化作用」吧。
催化劑在工業生產中的用途是極其廣泛的。除了合成氨外，還有很多工業生產中也要用到催化劑，例如硫酸的生產。硫酸是一種極其重要的工業原料。生產硫酸中有一步重要的反應——二氧化硫氧化生成三氧化硫。二氧化硫氧化成三氧化硫後再用水吸收，就能得到硫酸。二氧化硫的氧化在硫酸工業上稱為「催化氧化」，即在一種催化劑（五氧化二礬）的幫助下進行的氧化反應。可想而知，如果沒有五氧化二礬的催化作用，那麼二氧化硫的氧化將是很緩慢的；五氧化二礬的催化作用能大大提高二氧化硫氧化反應的速度，能在同樣的時間裡得到更多的三氧化硫，從而提高了單位時間內硫酸的產量。有趣的是，依靠催化劑生產得到的硫酸，其本身也是一種常用的催化劑。
不過，「急脾氣」也不一定就比「慢性子」要好。生活中，「急脾氣」往往容易心急慌忙，粗枝大葉。化學上也是一樣的。有的時候，化學反應的速度太快了也不好。對於某些特定的反應，人們希望它進行得越慢越好，比如鋼鐵的生鏽。鋼鐵容易生鏽而被腐蝕，其實質是鐵和空氣中的氧氣發生了複雜的化學反應。有些鋼鐵製品用不了多長時間就鏽跡斑斑，不僅影響美觀，而且會導致鋼鐵製品變得疏鬆，失去了原有的機械強度。為此，科學家們想了很多辦法防止鋼鐵被腐蝕，常用的一種方法是加入緩蝕劑，減緩鋼鐵生鏽的速度（注意，這裡的作用不是「加快」化學反應的速度，而是「減緩」化學反應的速度）。又比如，橡膠製品在生活中應用很廣，但橡膠製品容易老化，老化的橡膠失去了彈性而容易折斷。在橡膠製品中加入一些防老化劑，可以減慢橡膠老化反應的速度，使橡膠製品更耐用。日常炒菜等使用的食用油，如果儲存不當或放置比較長的時間，就容易發生「酸敗」而顏色變深，變得混濁，並產生一種難聞的哈喇味。使用酸敗的食用油炒菜，不僅味道變差、營養價值降低，食用後還可能引起噁心、嘔吐、腹瀉等症狀，危害身體健康。如果在食用油裡加入少量的沒食子酸正丙酯，就可以有效地減緩「酸敗」。在這裡，沒食子酸正丙酯是一種抑制劑，可以減慢油脂「酸敗」反應的速度。像緩蝕劑、防老化劑、抑制劑這樣一類的物質也屬於催化劑，化學上將其稱為「負催化劑」。
現在，我們提到的「催化劑」和「催化作用」，一般指的都是使化學反應速度加快；而對於那些使化學反應速度減小的「催化劑」，則通常用「阻化劑」等名稱來替代。尤其是在現代大規模工業生產中，使用的催化劑基本上都是為增大反應速度的。
其實，不管是「加快」速度，還是「減緩」速度，都是催化劑的看家本領。如今，無處不在的催化劑融入了人們日常生產、生活的各個方面，成為我們不可缺少的好幫手。
三、從「鉑懷爐」取暖說起
冬天天氣寒冷，人們常常需要能夠提供熱量的取暖設備。從原始人披著獸皮生火取暖，到現在空調、取暖器、電手爐等各種各樣的取暖設備琳瑯滿目、應有盡有，取暖設備的發展從一個方面反映了人們生活水平的提高。當然，現在用的取暖設備大多數都是用電的，即將電能轉化成熱能。電的大規模使用不過一百多年，那麼，在電並不普及的年代，人們如何取暖呢？
19世紀時，在歐洲的冬天，小姐和貴婦人們為了出席各種社交活動，常要乘坐馬車趕好多路。馬車裡不像家裡，能用壁爐燃煤取暖，而那時也還沒有什麼電手爐之類的取暖設備。為使她們能在乘車途中不至於受凍，能夠隨身攜帶的供取暖用的「鉑懷爐」便應運而生。直到今天，仍然有很多人選擇用「鉑懷爐」在冬天取暖。鉑就是白金，是一種貴重的金屬，有銀白色的光澤，常用於製造各種首飾。但你如果認為用「鉑」做懷爐只是為了美觀、漂亮、體現身價，那你可就大錯特錯了。
不知你是否吃過暖鍋？冬天，在飯店裡吃飯，有些菜是用暖鍋盛的，一邊吃，一邊下面在加熱，這樣即使吃較長時間菜也不會涼。在暖鍋下面用於加熱的通常是塊狀的「固體酒精」，酒精燃燒能提供大量的熱量，是一種常用的燃料。在「鉑懷爐」中，提供熱量的物質也是酒精。「鉑懷爐」等於「暖鍋」？這可有點可怕，懷裡揣著個小火爐，衣服被燒壞不用說，人還不得被燒傷啊！其實你不用害怕，「鉑懷爐」其實很安全。在「鉑懷爐」中，酒精靠人體的體溫緩緩揮發成酒精蒸氣，在金屬鉑的催化作用下，酒精蒸氣無須點燃便可以與氧氣發生反應，產生熱量，而這一氧化過程並不產生火焰，可以稱之為「無焰燃燒」。鉑能夠對酒精的氧化反應起催化作用，這是1820年英國化學家戴維發現的。當然，如果在燃燒著的酒精中插進一根鉑絲，由於鉑的催化作用，酒精將燃燒得更加劇烈（同樣是因為酒精與氧氣反應的速度加快了），迅速產生的熱量累積起的高溫能使鉑絲達到熾熱的程度，發出很亮的光。想當年，戴維就製作了這樣一種鉑絲酒精燈，用它來照明。這種燈在歐洲風行了許多年。
在我們的日常生產、生活中，通過催化作用實現的「無焰燃燒」具有十分重要的意義。它提供了一種安全的「燃燒」方式，因為不產生火焰，沒有明火，不會因為使用不慎而釀成火災。同時，它能讓燃料在較低溫度（甚至是常溫）下實現氧化供熱。
夏天為了驅趕蚊子，人們常使用電蚊香片。通過電加熱，使電蚊香片中的有效成分緩緩釋放出來，達到驅蚊的效果。而對於一些無法用電或者用電不方便的地方，專家們設計了一種無焰燃燒加熱滅蚊器。這種滅蚊器使用了一種催化劑，通過催化作用，使煤油等燃料在較低的溫度下進行無焰燃燒，用無焰燃燒產生的熱量加熱蚊香片。使用20毫升煤油，加熱器便可以持續加熱10～12小時，真是既經濟又方便。
(催化劑系列 未完待續)
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