德國化工史上最大的一次事故！善後工作持續了三年，人們卻無動於衷？
2020年8月4日，黎巴嫩的貝魯特港口發生一起大規模爆炸，據黎巴嫩衛生部媒體辦公室公佈，截至8月8日，遇難人數達158人，逾6000人受傷、21人失蹤。劇烈爆炸已使30萬人無家可歸，造成損失預計超過30億美元。
儘管事故的原因仍有待深入調查，但黎巴嫩的高階官員已經明確表示，此次大爆炸很有可能是在港口倉庫存放六年之久的2750噸硝酸銨（NHNO）被引燃造成的。
硝酸銨現已是一種普通化工產品，主要用於製作化肥和生產炸藥，也被用於製作火箭推進劑和安全氣囊等。
雖然硝酸銨1659年就已被德國人J。R。格勞貝爾（Johann Rudolf Glauber，1604–1670）首次製得，但是直到二十世紀初德國巴斯夫公司（BASF）的合成氨法固氮工程取得突破之後它才得以實現大規模生產。
因為用氮氣和氫氣合成氨（NH）的工藝解決之後，人們便可以透過氨氧化法或硝石-硫酸法來批次生產硝酸（HNO），然後再用氨中和硝酸來批次製取硝酸銨。
可以說，沒有合成氨工業的興起便不可能有硝酸銨的大規模生產。接下來，就基於科學技術史視角談談合成氨工業是如何成就硝酸銨的大規模生產的。
文 | 周程 中國科協-北京大學（聯合）科學文化研究院副院長，北京大學醫學人文學院院長，北京大學哲學系教授
本文為“科學·文化”系列文章，獲北京大學科學技術與醫學史系授權釋出，原文首發於公眾號“北京大學科學技術與醫學史系”（ID：hstm-pku），標題為《細說貝魯特大爆炸元兇“硝酸銨”》，不代表瞭望智庫觀點。
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人工固氮研究的緣起
托馬斯·馬爾薩斯（Thomas R。 Malthus，1766-1834）曾於1798年在《人口原理》一書中指出：在無所妨礙的情況下，人類的性本能決定著人口將以幾何級數增長；而在“土地收益遞減規律”的作用下，食物只能以算術級數增長。因為人口的增長速度遠大於食物的增長速度，所以人類欲擺脫因食物不足引起的貧困與惡習，就必須採取措施抑制人口的過快增長。
馬爾薩斯的《人口原理》揭示了一個事實：工業革命後的英國人口出現了快速增長。實際上，隨著工業革命席捲整個歐洲，歐洲各國的人口都出現了一定程度的增長。這樣，如何用有限的土地養活更多的人口，便成了擺在歐洲各國面前的一個重大課題。
與佔有大量殖民地的老牌資本主義國家，如英國、法國、西班牙、荷蘭等國相比，19世紀的德國滿足國內糧食需求的壓力尤其巨大。要擴大糧食生產首先必須增加肥料的供給，而當時人畜糞便和堆肥等傳統肥料已無法滿足日益增長的糧食生產的需求，故歐美等國不得不想方設法開拓新的肥料供應源。秘魯欽查（Chincha）群島上的鳥糞山就是在這個時候開始引起西方商人的關注的。
儘管19世紀初一些歐美學者已經測出欽查群島上的鳥糞石中含有大量的尿素和氨，知道它是一種非常好的肥料，但在蒸汽船開始投入商業使用之前，不辭辛苦地把欽查群島上的鳥糞石運回去當作肥料的西方商人並不多。歐美各國從秘魯大量進口鳥糞石乃是1840年以後的事。由於開採量太大，19世紀50年代後期，人們就已發現，數千年堆積而成的欽查群島上的鳥糞山不出二十年便被挖得依稀可見地表岩層了。
英國的工業革命還導致另外一個後果，炸藥的使用量激增。機器大工業是建立在鋼鐵的大量使用基礎之上的，而鋼鐵供應量的增加有賴於採礦業的發展，開礦不能沒有炸藥。另一方面，輸送原料和產品以及勞動力需要興建鐵路、開挖運河，這些基礎設施建設同樣離不開炸藥。
1853年爆發的克里米亞（Crimean）戰爭更是將歐洲炸藥的需求量推向了一個高峰。顯然，進入19世紀中期後，17世紀後期發現的印度恆河舊河道上的硝石礦床已無法滿足西方的需要，故英、法、德等國不得不把目光投向了南美阿塔卡馬（Atacama）沙漠太平洋沿岸附近的硝石產地。該地區19世紀中期前屬於秘魯管轄，後因秘魯戰敗而割讓給智利。
智利硝石與中國火藥不同，它的主要成分是硝酸鈉，而不是硝酸鉀。
因人們先後找到了將硝酸鈉轉換為硝酸鉀乃至硝酸的有效方法，加上諾貝爾（Alfred B。 Nobel，1833-1896）又在1866年發明了使用硝酸製造高效能炸藥的方法，故智利硝石吸引了很多歐洲人的關注。當然，它最初並非被用於提高農作物的產量，而是被用於生產炸藥。後因秘魯欽查群島上的鳥糞石資源瀕臨枯竭，故歐洲各國開始進口智利硝石以替代秘魯鳥糞石。
19世紀後期，在生產炸藥和肥料兩種需求的刺激下，智利硝石的出口量猛增。面對這種局面，歐洲人又開始擔憂智利硝石是否會像秘魯鳥糞石一樣很快就被消耗殆盡的問題了。1913年當選英國皇家學會會長的克魯克斯（William Crookes，1832-1919）可以說是其中的代表者之一。
1898年，克魯克斯在英國布里斯托爾（Bristol）召開的不列顛科學促進會大會上發表會長演講時說到，馬爾薩斯出版《人口原理》至今剛好滿100週年，現在看來，馬爾薩斯的預言極有可能變成現實，也即人類很快就會面臨食物嚴重短缺的危機。他認為，自然界中的肥料有限，不可能長期滿足人類糧食生產的需求。像智利硝石，按照目前這種趨勢發展下去，1920年代就會頻臨枯竭；即使樂觀估計，1940年代也肯定會告罄。如果屆時找不到新的可供大量使用的肥料源，歐洲的糧食，尤其是小麥的產量出現下跌將無可避免。
因此，他呼籲科學家們立即行動起來，著手研製可大量合成的新型肥料，尤其是能把空氣中大量存在的氮氣轉換成種植小麥時不可或缺的含氮肥料。
自1840年德國化學家李比希（Justus von Liebig，1803-1873）揭示出了氮、磷、鉀等元素對農作物的生長意義之後，人造肥料的生產便邁上了一個新的臺階。不過，李比希當時以為，農作物生長所需的氮可以直接從空氣中吸收，故無須在人造肥料中新增含氮化合物。
後來，英國的勞斯（John Lawes，1843-1910）和吉爾伯特（Joseph Gilbert，1817-1901）用實驗證明，農作物不僅需要氮營養，而且通常只能從土壤中攝取氮營養。這樣一來，如何快速、廉價地製取含氮化合物，特別是把空氣中大量存在的氮元素固定下來便成了一個至關重要的課題。
人類最早開發出來的含氮化學肥料是硫酸銨。儘管這種在生產焦炭和煤氣時加工獲得的副產品價格低廉，但是它的產量非常有限，根本滿足不了歐洲的農業生產需要。欲徹底解決歐洲的氮肥供應問題，只有一條路可走，就是從空氣中固氮。
一些人曾嘗試著先用石灰和焦炭製作碳化鈣，然後再讓其與氮氣反應生成石灰氮（CaCN2，氰氨化鈣）。還有一些人則嘗試著模仿閃電，利用高壓電弧來促使空氣中的氮氣與氧氣結合成一氧化氮，然後將其轉換成二氧化氮，再用水或鹼把它轉換成硝酸或硝酸鹽。但是，在克魯克斯1898年發表演講時，上述兩種使用氮氣生產氮肥的方法都還停留在實驗研究階段。其工業化應用則是進入20世紀之後的事。
1900年，擔任萊比錫大學化學系教授，物理化學研究所所長，後來於1909年獲諾貝爾化學獎的德國學者奧斯特瓦爾德（Friedrich W。 Ostwald，1853-1932）決定響應克魯克斯的號召，啟動直接用氮氣和氫氣合成氨的研究。
不過，奧斯特瓦爾德最初展開合成氨研究的動機並非是為了拯救整個人類，而是為了預防德國的硝石運輸線有可能被英國海軍切斷的不測。當時，英國人同荷蘭移民後裔布林人為爭奪在南非的領土和資源鏖戰正酣，在布林人治地內建立了強大經濟和政治勢力的德國無疑站在了英國的對立面。
英布戰爭的爆發迫使奧斯特瓦爾德開始思考，萬一英國與德國之間爆發全面戰爭，德國的糧食供應和炸藥生產問題該如何解決？在奧斯特瓦爾德看來，答案非常清楚，那就是德國無論如何也要攻克用氮氣和氫氣合成氨的難題。
此前，已有很多人從事過合成氨研究，因物理化學尚處於發展初期，人們對化學反應中的平衡與速率之類問題理解不深，故早期的合成氨研究大都沒有取得實質性的進展。奧斯特瓦爾德是催化研究領域的專家。他認為合成氨的關鍵在於實現溫度、壓強和觸媒之間的平衡。
他在實驗中發現，使用鐵絲做觸媒，對氮氣和氫氣進行加熱後可獲得一定量的氨。無疑這項實驗研究結果令他興奮不已。他迅速向有關部門遞交了專利申請，並試圖將這項技術高價賣給對人工固氮技術持有濃厚興趣的巴斯夫公司。
巴斯夫主要是依靠生產化學染料起家的。在研製合成靛藍染料過程中，巴斯夫逐漸組建起了一支龐大的科研隊伍，並取得了多項對公司的發展至關重要的研究成果。至1899年，巴斯夫儼然已成了擁有150名科研人員的德國最大的化學公司。當時，化工行業的模仿行為非常猖獗，企業只有依靠不斷創新，才能保持住自身的競爭優勢。
繼1897年合成靛藍染料技術開發取得成功之後，巴斯夫認為下一個主攻目標應該是含氮化學肥料。為此，巴斯夫很早就開始著手從事人工固氮研究，只不過他們最初關注的乃是電弧法和石灰氮法而已。
當奧斯特瓦爾德來到巴斯夫徵詢轉讓自己的合成氨技術的可能性時，巴斯夫表現出了濃厚的興趣。在決定是否購買該項技術時，有關負責人讓進公司還不到一年的卡爾·博施（Carl Bosch，1874-1940）對他的合成氨實驗進行了追試。博施的追試實驗一開始並未能像奧斯特瓦爾德一樣獲得痕量的氨。後來，使用奧斯特瓦爾德給的鐵絲做觸媒，他總算合成出了一些氨。可是，之後又合成不出。
透過研讀文獻和反覆實驗，博施確信，自己抽出來的氨實際上是因奧斯特瓦爾德給的鐵絲曾發生過氮化反應而引起的。年輕的博施得出的結論令奧斯特瓦爾德難以接受。雙方經過一番爭論之後，奧斯特瓦爾德最終意識到自己用做觸媒的鐵絲確實有可能在做氨分解實驗時使用過，這樣所獲得的氨就不會是氫氣和氮氣的反應生成物，而是氫氣和氮化鐵反應的結果。於是，他一氣之下中止了相關專利的申請，並決定不再從事合成氨研究。
1901年前後，法國化學家勒夏特列（Henry Le Chatelier，1850-1936）也對合成氨進行了研究。不過，勒夏特列在使用鐵做觸媒對氮氣和氫氣進行合成實驗時發生了爆炸。由於實驗風險比較大，故勒夏特列最終放棄了用氮氣和氫氣合成氨的研究。儘管勒夏特列和奧斯特瓦爾德一樣並沒有用氮氣和氫氣合成出氨，但他還是於1901年把自己的部分有價值的研究成果整理出來使用外國人的名字在法國申請了一項專利。
人工固氮方式之一——合成氨
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哈伯從事的合成氨實驗研究
雖然奧斯特瓦爾德和勒夏特列最終都放棄了用氮氣和氫氣合成氨的研究，但不少德國學者20世紀初仍前赴後繼地展開了這項被認為深具研究價值的研究。其代表人物有能斯特（Walther H。 Nernst，1864-1941）和弗裡茨·哈伯（Fritz Haber，1868-1934）。
能斯特1904年起擔任柏林大學的物理化學教授，1920年因發現熱力學第三定律而榮獲當年度的諾貝爾化學獎。哈伯1898年起擔任卡爾斯魯厄（Karlsruhe）高等工科學校物理化學和電化學副教授，1906年升任教授，1919年因發明用氮氣和氫氣直接合成氨的方法而榮獲1918年度諾貝爾化學獎。
哈伯早期主要從事電化學研究，1902年參加美國電化學學會年會期間參觀了設在尼亞加拉瀑布附近的一座電弧法固氮中試工廠，並對人工固氮研究產生了興趣。回國後，哈伯便開始著手從事電弧法固氮研究，因實驗進展不夠理想，故從1904年開始把研究重點轉向合成氨。其契機是聘請他擔任科學顧問的維也納馬古裡（Margulies）兄弟公司對使用空氣中的氮氣製造有著廣闊市場前景的氨一事頗感興趣，並表示願意提供相關研究資助。
最初，哈伯在研究過程中主要遇到了兩個難題：一是組成氮氣分子的兩個氮原子結合得非常緊密，很難把它們分離開來，除非將它們加熱到1000℃以上；二是氮原子和氫原子結合成氨分子時，會產生大量的熱能，如果不能快速地對氨進行冷卻處理，氨分子很容易吸熱分解。結果，哈伯雖然使用鉑製成的實驗裝置在高溫條件下將氮原子從氮氣分子中分離出來了，但未能很好地解決氨的快速冷卻分離等問題，故在實驗中獲得的氨的數量極少。
由於合成氨的產率太低，工業化生產前景不妙，故哈伯打算放棄這項研究，並中止同馬古裡兄弟的合作。1905年，徵得馬古裡兄弟的同意，哈伯公開發表了他在研究過程中獲得的部分資料。
柏林大學的能斯特當時也在從事與合成氨相關的研究，他在把自己發現的熱定理運用到氨的平衡研究過程時，計算出了在不同溫度條件下用氮氣和氫氣合成氨時的產率。該計算值遠小於哈伯的實驗資料。能斯特認為哈伯的資料偏大極有可能是因實驗誤差造成的。
於是，他讓自己的研究助手進行了實驗驗證。為減少實驗誤差，能斯特指示助手加大壓強以提高合成氨的濃度。加壓實驗所得出的資料與能斯特依據熱定理計算出來的數值相當吻合。1906秋，能斯特把自己研究得出的資料遠小於哈伯測得的資料一事寫信告訴了哈伯，並說自己在1907年春召開的德國本生學會會議上將會公開這些資料。
哈伯對能斯特的質疑非常重視。他注意到，能斯特助手的實驗是在高壓下進行的，而他自己的實驗是在常壓下進行的。提高壓強，加大濃度，確實可以減少合成氨產率測定值誤差。於是，哈伯做完常壓下的驗證實驗之後，又開始提高壓強進行了一系列測試。實驗結果表明，哈伯將原實驗測得的氨的產率上限值視作為真實值有問題，實際上原實驗測得的下限值才更加接近產率真實值。儘管哈伯的新實驗資料更加接近能斯特的計算值，但兩者之間的差距仍然很大。
在1907年春召開的德國本生協會會議上，能斯特和哈伯先後公開了自己有關合成氨的最新研究結果。由於雙方的氨的產率資料差異比較大，故彼此之間為誰是誰非一事發生了爭執。當時，能斯特毫不留情地指出哈伯新近測得的資料同樣充滿了謬誤。
能斯特的這些批評對於一名非綜合性大學的普通教授和出身於猶太家庭的少數族群學者來講無疑是一種羞辱。哈伯回到學校後便一頭鑽進實驗室，幾乎把所有時間都用來從事合成氨研究。他發誓一定要洗刷掉能斯特潑在自己身上的髒水。
在此後半年多的時間裡，哈伯在其年輕的英國助手羅塞格爾（Robert le Rossignol，1884-1976）的協助下，透過改進實驗裝置，加大反應壓強對合成氨展開了一系列研究。當哈伯和羅塞格爾把反應壓強加大到遠高於能斯特實驗所加壓強值時，他們獲得了超出預期的好結果。
儘管1908年初哈伯已經掌握了以比較高的產率用氮氣和氫氣製取氨的技術，但該項技術離工業化生產的要求還有相當大的一段距離。接下來的任務很清楚，就是設法籌措更多的科研經費，大幅提高合成氨實驗裝置的效能，僱用更多的助手進行合成氨實驗研究。至於和能斯特之間的爭執，哈伯覺得已無需去理會它了。
1908年2月，在擔任德國樞密顧問的卡爾斯魯厄高等工科學校化學系主任恩格爾（Carl Engler，1842-1925）的推薦下，哈伯與巴斯夫董事長布倫克（Heinrich von Brunck，1847-1911）進行了接觸，並於次月簽訂了一份合作協議。此後，在巴斯夫的資助下，哈伯與羅塞格爾添置了一批高壓研究裝置。以前，因擔心實驗裝置承受不了，哈伯未敢把反應壓強加得太高。這次，他打算重點研究100-200個大氣壓下的氨的合成情況。
如此高的壓強，一般容器都承受不了。為此，哈伯和羅塞格爾請實驗室裡的技術工人特製了一個厚壁石英管，並在其外側加了一個鐵保護層；此外，還特製了一批高壓閥、接頭等零部件。實驗結果表明，隨著壓強的不斷提升，氨的產率不斷增大。當壓強加大到200個大氣壓時，溫度即使下降到500-600℃之間，氨的產率也不會明顯減少。這在溫度超過700℃時，觸媒活性大都會急劇下降的情況下，意義非同尋常。
之後，哈伯他們又對整個實驗裝置進行了多次改進，以便能夠對反應生成的氨進行快速冷卻處理，並可以利用反應過程中釋放出的熱量來預熱輸往反應室的氮氣和氫氣。此外，他們還設計了一個迴圈系統，以使反應室中未參加反應的氣體經分離器分離後再返回反應室參加合成反應。1908年10月，巴斯夫即時為哈伯這種基於未反應氣體迴圈利用和反應熱回收利用思想的氨合成法申請了專利。
在弄清了溫度和壓強的最佳平衡點之後，為了進一步提高氨的生成速度，哈伯便集中精力對觸媒進行篩選。他和助手一起先後對粉狀的鎳、鎂、鉑等進行了測試，但效果均不理想。之後，他又把主要從事煤氣燈開發的柏林阿烏爾（Auer）公司先前委託其做實驗時提供的稀有物質試料拿出來進行測試，並於1909年3月發現使用鋨做觸媒可以大幅提高氨的生成速度。這意味著氨的工業化生產前景已經變得相當明朗了。
雖然哈伯的合成氨實驗研究取得了重大進展，但其實驗裝置中的高壓反應室是用石英結晶製成的。工業化生產時，為提高合成氨的產量，必須大幅擴大高壓反應室的尺寸。可是，自然界中不可能存在如此巨大的石英結晶。
巴斯夫如何解決既可以承受高壓高溫，又可以長期連續執行的合成氨反應裝置的製作難題？再者，自然界中鋨的蘊藏量非常少，其價格相當昂貴；而且鋨用做觸媒之後，很容易轉變成為易揮發性的氧化物，故必須定期更換。合成氨裝置投產後，鋨資源能夠滿足巴斯夫的生產需求嗎？當時的巴斯夫研發部部長認為，這兩個問題短期內根本就解決不了，因此不太願意繼續資助哈伯從事合成氨研究。
哈伯的上司恩格爾得知這一訊息後，再次出面寫信給布倫克，力陳繼續支援哈伯從事合成氨研究的必要性。於是，布倫克親自帶著研發部部長以及固氮專案負責人博施來到哈伯的實驗室。現場考察結束之後，曾主攻過冶金學與機械工程，後來改學有機化學的博施認為耐高壓高溫裝置的製造難題有可能解決，但用鋨做觸媒行不通。聽完部下的意見之後，布倫克決定，繼續資助哈伯的合成氨研究，但在一些關鍵性技術難題尚未解決之前，不要輕易啟動其他分支專案的研究。
由於即使把世界各國生產的鋨全部買來用做觸媒也合成不了多少氨，所以只要找不到可替代鋨的新觸媒，哈伯研製的合成氨技術就不會有大規模地轉化為現實生產力的可能。幸運的是，在羅塞格爾的協助下，哈伯很快就找到了功效同樣非常顯著的新觸媒——鈾。
這樣，剩下來的問題就是合成氨實驗裝置能否持續穩定執行一事了。經過不懈的努力，哈伯等人終於在1909年7月的一次模擬實驗中，使整個系統持續穩定地運轉了5小時之久。當時，高壓反應室中的氮氣被轉化成氨的達6-8%。是時，哈伯尚不滿40歲。
哈伯的研究使巴斯夫公司有關人員意識到，哈伯等人研製的合成氨裝置不僅在將氮氣以較高的產率轉化為氨方面取得了成功，而且其中的未反應氣體迴圈利用系統和反應熱回收利用系統在很大程度上提高了裝置的經濟性。很明顯，該裝置的能耗遠小於電弧法固氮；進行放大設計後，其固氮成本甚至可以同智利硝石競爭。如此一來，不僅德國的肥料和炸藥的原料供應不需要再依賴進口，而且巴斯夫還可以順勢實現轉型發展。
此後，有關合成氨的研究開始由實驗室研究走向中間試驗研究，研究中心也由哈伯的實驗室轉移到了巴斯夫。作為研發獎勵和不外洩技術的補償，巴斯夫允諾，每年給哈伯支付2。3萬馬克的薪水和研究費。另外，投產之後，每生產1千克合成氨，給哈伯提取數便士紅利。對哈伯來講，這比一年半前簽署的合作協議要優厚很多。
1911年，聲名日隆的哈伯應邀前往柏林擔任威廉皇帝物理化學和電化學研究所（馬普學會弗裡茨·哈伯研究所的前身）所長，同時兼任柏林大學教授。離開卡爾斯魯厄後不久，哈伯便告別了為之奮鬥多年的合成氨實驗研究。
弗裡茨·哈伯（Fritz Haber，1868-1934）
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博施主持的合成氨中間試驗研究
合成氨的中間試驗研究是在博施的領導下展開的。當時，博施年僅35歲。
博施1900年在對奧斯特瓦爾德的合成氨實驗進行追試時嶄露頭角之後便引起了巴斯夫總裁布倫克的關注。此後，他被安排到公司的優先發展領域——人工固氮專案組工作，主要從事一些與電弧法固氮有關的研究。
1902年，挪威海德魯公司（Norsk Hydro）率先研製出一種無需使用強磁鐵即可實現放電的高壓電弧爐。這種電弧爐雖然可以實現人工固氮，但它的電耗非常大。這在水電資源豐富的挪威和美國問題不大，但在水電資源貧乏的德國其固氮成本高得令人難以接受。因此，博施很早就開始把自己的關注點轉移到了其他固氮研究領域。不過，結果都無功而返。
正當博施苦於找不到好的人工固氮方法時，傳來了哈伯用氮氣和氫氣合成氨獲得了不錯結果的訊息。巴斯夫經過一番評估之後，決定資助哈伯從事人工固氮研究，同時任命博施全權負責該專案的協調工作。在博施的協調下，不到一年半，哈伯的實驗研究便取得了重大進展，接下來的中試研究當然也就順理成章地交由博施來組織實施了。
博施1909年夏開始主持合成氨專案中間試驗研究時，面臨的難題可謂數不勝數，其中最大的三個難題是，廉價高效觸媒的開發，高純度原料氣體的大量生產和大型耐高溫高壓合成反應裝置的研製。
新觸媒的開發由米塔斯（Alwin Mittasch，1870-1953）博士具體負責。他曾在奧斯特瓦爾德的指導下主攻過物理化學和觸媒化學。儘管哈伯繼鋨之後又發現了鈾具有比較好的催化功能，但鈾對氧氣和水非常敏感，其催化效果很容易喪失。因此，鈾和鋨一樣都不能算是理想的觸媒。
理想的觸媒既要能大幅提高反應速率，又要能長時間地在高溫高壓環境下穩定工作。這意味著篩選理想觸媒時，至少要讓觸媒在苛刻條件下連續工作數日。
米塔斯和助手們設計出了一種可迅速更換觸媒的小型實驗裝置。實驗時，他們通常會同時啟動20多臺這種裝置以對不同的觸媒進行測試。如此奮戰一個多月，測試完所有元素之後，米塔斯他們開始對金屬混合物進行測試。在此過程中，他們發現，一種瑞典產的磁鐵礦催化效果不錯，而其他地區產的磁鐵礦都沒有這麼好的效果。
於是，他們在純鐵中按照不同的比例一次摻入一種元素進行測試，之後又按不同的比例同時摻入兩種元素，甚至是三種元素進行測試。結果顯示，用純鐵做觸媒幾乎沒有任何效果。但是，摻入某些物質後，彷彿是給鐵施加了魔法似的，其催化效果陡增。當時，他們把新增到純鐵中的物質叫做促進劑。問題是，新增什麼促進劑，以什麼比例新增催化效果最好？顯然，只有不停的進行試錯實驗才能找到最佳答案。
1910年1月初，米塔斯領導的觸媒研究小組發現，在鐵中新增氧化鋁後，其催化效果幾乎與鋨相同。再新增少量氧化鉀，其催化效果更佳。不過，這種觸媒遇到硫磺、氯氣之類雜質時，催化效果會大幅下降。儘管如此，因這種觸媒為固體，很容易生產，且價格低，故仍可稱得上是一種相當不錯的合成氨觸媒。
此後，為了尋找更加理想的合成氨觸媒，米塔斯小組又對有可能成為觸媒的物質進行了成千上萬次的試錯實驗。遺憾的是，他們後來一直未能發現比鐵、氧化鋁、氧化鉀三者的混合物催化效果更好的合成氨觸媒。
由於新研製的觸媒很容易被原料氣體中的有害雜質毒化而失效，因此合成反應對原料氣體的純度要求很高。當時，大量製取高純度氮氣的技術條件已經具備。但是，要像制氮一樣把液態空氣中的氫氣高純度地分離出來，成本太大。是故，博施他們只得嘗試著用電解鹽水法制取氫氣，後因反應速度太慢，用電量太大而作罷。之後，他們決定改用水蒸汽與灼熱的焦炭反應來製取氫氣。問題是，生成氣體中含有不少一氧化碳。為了清除氫氣中的一氧化碳等有害氣體，博施專門組建了一個攻關小組。該小組經過多方努力，終於開發出可大量製造高純度氫氣的工藝。
在廉價高效觸媒的開發和高純度原料氣體的大量生產問題相繼解決之後，如何設計製造能耐高溫高壓的大型合成反應裝置便成了擺在博施面前的當務之急。
合成反應容器的工作環境非常惡劣。其內部壓強通常是蒸汽鍋爐的20倍，溫度高得可以把鐵燒紅。在研製中試用合成反應容器過程中，博施他們不僅對當時最先進的蒸汽機車、汽油發動機和柴油發動機等進行了研究，而且還走訪了克虜伯等大型鋼鐵企業的負責人，並請他們介紹了大炮製造技術的最新發展情況。
之後，博施開始將相關研究人員按任務功能進行了編組，並新招了一批工程技術人員，同時還成立了一個機械加工廠。在博施的率領下，全體人員連續奮戰多月，終於設計製造出了兩臺高達2米4的圓柱形合成反應容器，並將其置於用強化混凝土製成的防護罩內。意想不到的是，這兩臺中試用合成反應容器只運行了三天就爆炸了。
爆炸是因圓柱形合成反應容器內壁多處出現龜裂引起的。為深入調查爆炸原因，博施專門成立了一個金屬材料研究室。研究人員走過一段彎路後最終發現，爆炸是因粒徑很小的氫原子在高壓下鑽進了受熱膨脹後的碳素鋼內部，並與其中的碳元素髮生反應造成的。由於合成反應條件很難改變，故擺在博施面前的選擇只剩下兩個，要麼改用其他金屬製作反應容器；要麼給碳素鋼反應容器內壁加一道保護層。
當時能夠用來製造耐高溫高壓反應容器的只有鉑等少數貴金屬。用這些貴金屬來製作合成反應容器成本太高。於是，博施只得委託冶金專家為其研製一種不容易和氫發生反應的高強度鋼材。可是研製出的高強度鋼材都或多或少地含有一些碳元素。這樣一來，只能給碳素鋼反應容器內壁加保護層了。
糟糕的是，無論給內壁塗什麼保護層，氫原子在高壓的作用下都可以很容易地穿透它，並鑽進碳素鋼的內部，除非在內壁上塗上一層純金，而這樣成本又太高。自反應裝置首次爆炸以來，數十名科研人員、幾百名輔助人員不惜一切代價地忙碌了近半年，最終仍未能拿出一個可被接受的解決方案。
博施在對加保護層方案進行分析總結時意識到，迄今為止，他們所做的一切都是為了防止氫原子在高壓的作用下向受熱膨脹後的金屬材料內部滲透。為何一定要阻止氫原子向材料內部滲透呢？問題的關鍵是不要發生爆炸，而不是單純地阻止氫原子滲透。
順此思路，他想出了給高強度碳素鋼圓筒加內襯的方案。使用內襯的主要目的是阻擋氫原子向其外側的碳素鋼圓筒內壁滲透。如果內襯使用久了發生脆化，可以進行更換。只要內襯能把滲透到其外側的氫原子的數量大幅度降下來，那麼內襯外側的碳素鋼承壓圓筒就不大會發生內壁脆化現象。至於內襯所使用的材料可以是強度不高、含碳量很低的熟鐵。
加熟鐵內襯之後，如何將滲透到內襯外側的少量氣體及時地排放出去？如果不及時地排出這些氣體，它們會越積越多，進而侵蝕內襯外側的碳素鋼圓筒。面對這個棘手問題，博施再度陷入長考，並於1911年2月偶然意識到：此前，他們一直在努力防止反應容器內的氫氣外洩，生怕洩漏出來的氫氣遇氧後發生爆炸。其實，氫氣洩漏出來後，只要在空氣中的濃度沒有達到發生爆炸的程度，人們就可以不用去管它。這意味著在碳素鋼圓筒上鑽一些小孔，直接把滲透到內襯外側的少量氫氣排放出來並不致於造成太大的危險。
1911年3月，博施把上述想法付諸實施之後，發現防爆效果非常明顯。儘管這些做法的技術含量不高，但其成本非常低，關鍵是能夠有效解決合成反應容器的爆炸問題。無疑，巴斯夫很快就為這些技術思想申請了專利。
改進設計後的合成反應容器雖然輕易不會發生爆炸，但仍會不時地出現一些故障，以致1911年秋季前中試裝置的持續運轉時間從未超過兩天。毋庸贅言，所遇到的難題最終都被博施他們一一解決了。1911年底，日產氨量高達數噸的中試裝置終於實現了穩定執行。這意味著大規模興建合成氨工廠的技術可行性已基本具備。
卡爾·博施（Carl Bosch，1874-1940）
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合成氨的批次生產與推廣應用
為興建合成氨工廠，1911年夏，巴斯夫決定買下位於其路德維希港工廠北邊的一塊緊靠萊茵河的土地。幾周後，奧堡（Oppau）鎮就批准了該項土地轉讓協議，11月份又批准了有關該地塊的開發計劃。不過，12月4日，布倫克突然去世了。令博施感到意外的是，在沒有布倫克督促的情況下，巴斯夫董事會仍批准了合成氨工廠的建設資金需求。不僅如此，董事會還決定將原定建廠規模再擴大一倍，並正式任命博施為巴斯夫總裁，全權組織實施該項建廠計劃。
對原定計劃進行修訂之後，巴斯夫於1912年5月開始動工興建合成氨工廠。儘管博施此前組織研製的合成氨中試裝置已能正常執行，但其日產量不過才2噸多一點。而巴斯夫計劃興建的是一個年氮氣使用量就達到6千噸的大型合成氨工廠。建設這樣一個史上未曾有過的大型高壓化學工廠，等待博施解決的技術和管理難題多得令人難以想像。
儘管困難重重，巴斯夫的第一座合成氨工廠還是於1913年9月在奧堡建成投產了。從開工到竣工，一共只花了16個月。儘管工廠建成投產初期，仍會不時地出現一些故障，但至第二年春季日產氮肥量就攀升到100噸。博施的執行力深深地折服了巴斯夫的董事們。1914年4月，不到40歲的博施就被推舉為巴斯夫的董事長。
巴斯夫合成氨工廠建成投產前，由於氨的產量低且價格昂貴，故氨多被用做冷卻劑，很少被用做化肥的。合成氨工廠建成投產後，氨的產量急速攀升，於是就有必要開拓農村市場，直面與智利硝石的競爭問題了。
對巴斯夫來講，最簡單的辦法就是把氨轉化成硫酸銨。但是，德國農民用慣了硝酸鹽類肥料，不怎麼喜歡用硫酸銨。這樣一來，如何將氨轉化成硝酸，然後再進一步轉化成硝酸銨之類肥料，便成了擺在博施面前的一個重要課題。當然，哈伯對這個課題也同樣深感興趣，因為巴斯夫的氨銷售量越大，他的提成也就越多。
當時，使用氧化法將氨轉化成硝酸必須使用鉑做觸媒，由於使用這種方法生產硝酸的成本太大，故博施指示米塔斯充分借鑑開發合成氨觸媒時所習得的經驗，力爭找到一種可替代鉑的新型觸媒。
1914年3月，米塔斯等人終於開發出了一種不含鉑的廉價高效觸媒。不過，沒過多久就爆發了第一次世界大戰。由於智利硝石多被軍方拿去生產炸藥了，故德國的肥料供應出現了短缺。在這種情況下，巴斯夫已無必要投資興建新車間，使用新開發的觸媒特地把氨轉化成硝酸，然後再生產硝酸銨之類肥料了。
隨著硫酸銨銷量的增加，巴斯夫合成氨工廠對硫酸的需求越來越大。當時，巴斯夫生產硫酸時使用的是黃鐵礦。由於黃鐵礦的需求量太大，巴斯夫不得不從國外大量進口，以致硫酸和硫酸銨的生產成本居高不下。儘管德國的黃鐵礦資源不足，但其煤炭資源和石膏資源非常豐富。巴斯夫生產氫氣時採用的就是用水蒸汽與灼熱的煤炭發生反應的方法。在此過程中，巴斯夫還獲得了大量的二氧化碳。博施當時在想，可否使用主要成分為硫酸鈣的石膏生產硫酸銨？
經過一番探索，巴斯夫的科研人員終於開發出了用二氧化碳、氨與石膏反應生產硫酸銨的新方法。此反應生成了兩種物質：一是硫酸銨；二是碳酸鈣，即碳酸石灰，它也是一種暢銷品，可用於改良酸性土壤。不過，在如何低成本高效率地分離這兩種生成物質一事上，科研人員遇到了不少麻煩。最後，根據博施的提議，透過改進美國人淘金時使用的浸泡吸引過濾裝置才解決了這一難題。至此，巴斯夫大批次生產氨以及硫酸銨時使用的原材料：空氣、水、煤炭和石膏都可以從德國本土廉價取得了。
巴斯夫透過降低生產成本開啟硫酸銨的市場之後，接下來遇到的問題就是，如何進一步提高氨的產能？
實際上，自合成氨工廠建成投產之後，巴斯夫就從未停止過對合成氨生產裝置的改良。這對提高氨的產量無疑是有益的，但效果有限。除非對生產裝置中的關鍵裝置——合成反應容器進行徹底的改造，否則合成氨的產能很難再上一個臺階。意想不到的是，軍方的炸藥需求對巴斯夫合成氨工廠的改建與擴建產生了決定性的影響。
1914年8月第一次世界大戰爆發。德軍原本想以速戰速決的方式擊敗法國，但沒想到在巴黎近郊遇到了英法聯軍的頑強抵抗，以致戰事陷入膠著狀態。戰前，軍方以為很快就可結束戰事，故只准備了半年的彈藥。當軍方意識到戰爭有可能會僵持一段時間之後，便開始思考軍火的穩定供應問題。
儘管戰爭初期，德國海軍尚能維護智利硝石運輸線的安全，但英法海軍完全具備切斷這條運輸線的能力。一旦智利硝石的運輸線被切斷，德國的智利硝石存量，加上佔領地的智利硝石存量並不足以滿足軍方對彈藥生產的需求。因此，有必要未雨綢繆，即時動員工業界幫助解決生產彈藥所需原料不足難題。
戰前，在銀行界的大力支援下，石灰氮法固氮技術在德國也獲得了比較快的發展。由於石灰氮很容易轉化成生產炸藥所需的硝酸，故在一些人士的遊說下，德國政府決定資助相關企業大規模擴建石灰氮工廠。這顯然刺痛了哈伯和博施。
問題是，巴斯夫雖然開發出了將氨轉化成硝酸的廉價高效觸媒，但這項技術並沒有經歷過中試的考驗，至於相關生產裝置的研製更是無從談起。即便如此，哈伯和博施也沒有理由坐視石灰氮法固氮技術的崛起而不採取任何行動。經過一番艱苦探索之後，巴斯夫發現，雖然將氨直接轉化成硝酸比較麻煩，但可以比較方便地將其轉化成和智利硝石主要成分相同的物質——硝酸鈉。這意味著只要政府肯投資，巴斯夫即可在短期內大量生產可用於製造炸藥的“智利硝石”。
在博施看來，獲得政府投資，興建用氨生產硝酸鈉的工廠至關重要。因為只有這樣才能確保巴斯夫在固氮領域的競爭優勢，否則日後被生產石灰氮的公司超越並非沒有可能。再者，當巴斯夫可以批次生產與智利硝石成分相同的硝酸鈉之後，將來就不用擔心智利硝石會捲土重來，對公司的合成氨生產構成威脅。
為此，博施主動遊說德國政府，強調硝酸鈉可以很方便地用來生產炸藥（硝酸鈉和硫酸可以反應生成硝酸），更重要的是用硝酸鈉生產炸藥的費用遠比用石灰氮生產炸藥便宜。最終幫助博施說服政府的乃當時兼任德國政府科學顧問的哈伯。在哈伯的推動下，博施和德國政府簽訂了一項協議，承諾半年內完成奧堡合成氨工廠的改造，自1915年5月起每月生產5千噸硝酸鈉。德國政府表示將為巴斯夫的這項計劃提供6百萬馬克的補助金。
1914年10月，巴斯夫開始動工興建硝酸鈉生產車間，同時對合成氨生產裝置進行了大規模的改造。當時，德國的鋼鐵企業只能鑄造最大長度為6米，最大直徑為1米的鋼管。為擴大合成氨的反應容積，提高生產效率，博施率領人馬快速攻克了將兩個6米長的鋼管串成一個高壓反應塔的難題。
半年後，巴斯夫按照約定，開始批次生產“智利硝石”。實踐表明，用合成氨法固氮、生產炸藥的成本確實要比用石灰氮法低很多。這樣一來，德國政府就失去了繼續給生產石灰氮的廠家提供大量資金補助的理由。
巴斯夫開始批次生產“智利硝石”的當月，就招致法國空軍的大規模轟炸。儘管德國軍方此後加強了對奧堡合成氨工廠的防衛，但是很難有效阻止法國飛機的突襲，因為奧堡離法國太近了。法國飛機每次來襲時，奧堡合成氨工廠都不得不關閉高壓生產裝置。而這些裝置關閉後再重新啟動非常費時，加上搶修被法國飛機炸燬的裝置多少也需要一些時間，以致奧堡合成氨工廠的產能受到了很大的限制。
再者，儘管巴斯夫此前對合成氨生產裝置進行了擴建，但因軍方對硝酸鈉的需求量太大，巴斯夫只得把本應該拿出生產硫酸銨的氨拿來生產硝酸鈉，以致德國肥料供應嚴重短缺，農民意見很大。為此，1915年9月，德國政府建議巴斯夫在法國飛機炸不到的德國中部地區建一座比現在的合成氨工廠還要大一倍的第二合成氨工廠。
以博施為首的巴斯夫高層與政府交涉多個回合之後談定，興建第二合成氨工廠所需的鉅額投資由政府全數貸給巴斯夫，工廠建成投產後巴斯夫再用利潤償還。於是，1916年4月底，巴斯夫與德國政府簽署了在離萊比錫不遠的洛伊納（Leuna）鎮再建一座合成氨工廠的協議。
儘管戰時需要克服的困難有很多，巴斯夫的建設團隊在博施的帶領下，還是於1917年4月底讓洛伊納工廠的大型合成反應塔實現了點火。該廠建成當年產量就衝到3萬6千噸，戰爭結束時的年產量急速攀升至16萬噸。
位於德國路德維希的巴斯夫公司合成氨反應塔遺址
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一戰結束後開始工業化生產硝酸銨
1918年11月11日，第一次世界大戰結束。戰後，德國公司在海外的生產設施、子公司、附屬公司以及登記的專利全部被沒收。作為軍火供應商，巴斯夫還被法國軍隊佔領達數月之久。這樣，巴斯夫的人工合成氨技術以及利用氨生產硝酸鈉和硝酸技術就不再受到保護。
戰時，為滿足軍方的炸藥生產需求，巴斯夫只將部分合成氨用於生產化肥，主要是硫酸銨。戰後，由於無需再為軍方生產“智利硝石”，也就是硝酸鈉，故巴斯夫可以針對農業生產的需要進行產品結構的調整。
前已述及，比起硫酸銨，德國農民更喜歡使用硝酸鹽類化肥料，加上用硝酸銨製作肥料還有很多其他方面的優勢，故巴斯夫很快就實現了硝酸銨的大規模生產，因為利用氨氧化生產硝酸以及利用氨中和硝酸製取硝酸銨等工藝此前已經攻克，只是由於戰時的合成氨產能難以同時滿足軍用需求和民用需求，不得不壓縮民用需求罷了。
為了便於儲存和運輸，工廠一般都會對硝酸銨溶液進行濃縮、結晶和造粒處理。問題是，硝酸銨顆粒很容易受潮結塊，而且對高溫的耐受力較差。硝酸銨受熱分解後會產生大量的氧氣、氮氧化物和水蒸氣，這些氣體在急劇釋放的情況下，很有可能會引起爆炸。由於巴斯夫對硝酸銨的這一危險性缺乏足夠的瞭解，所以曾在一次粗暴的操作中，引發了一場駭人聽聞的大爆炸。
1921年9月21日上午7時32分，巴斯夫公司奧堡工廠一處存放有4500噸硝酸銨與硫酸銨複合肥料（硫酸銨與硝酸銨的配比為2：1）的巨型庫房發生猛烈爆炸，爆炸中心形成了一個直徑125米、深19米的大坑。
這次的大爆炸造成奧堡工廠附近的1000多戶房屋中的70％被摧毀，其餘被嚴重破壞。方圓數十公里內的路德維希港、奧格斯海姆、弗蘭肯塔爾等地的建築物也受到破壞。這場災難造成509人喪生，160人失蹤，1952人受傷，7500人無家可歸。這是德國化學工業史上最大的一次事故。
爆炸發生後，奧堡鎮議會立即啟動危機管理，對民眾進行緊急援助。800多名兒童被臨時安置在萊茵蘭-普法爾茨、巴登－符騰堡州和巴伐利亞州的“兒童之家”或寄養家庭。巴伐利亞州州政府專員卡爾·施圖澤被委以重任，負責統籌援助和捐贈事宜，相關工作一直持續到1924年11月30日。
這場悲劇性事故震動了整個德國，大型葬禮於1921年9月25日在路德維希港中央公墓舉行，魏瑪共和國首任總統弗里德里希·艾伯特特意出席葬禮。許多德國報紙當天還出版了有關這場災難的特刊。
巴斯夫公司執行長博施在悼念活動上表示：“災難並非由疏忽或人為因素引起，我們至今仍無法解釋的未知自然因素使我們所有的努力化為烏有。我們多年來生產並用於為數以百萬計的國民提供食物的物資，如今突然因為某些我們無法獲悉的原因而成為我們最殘酷的敵人。”
因爆炸中心無人生還，故直到1925年，奧堡大爆炸的官方調查結果才對外公佈。德國電視一臺稱，當時工廠將生產出來的硫酸銨和硝酸銨大量囤積於庫房內，準備等市場旺銷時上市。由於庫房裡堆積的4500噸硝酸銨和硫酸銨已經固化，於是工人們引爆少量炸藥來將其鬆動，因為“此前類似操作從沒有發生過事故”。
調查還發現，在奧堡大爆炸發生前兩個月，德國就發生過運送硝酸銨的貨車爆炸事故，但那場事故並沒有引起巴斯夫的警惕。
不過，奧堡大爆炸發生三個月後，奧堡工廠的生產就恢復了，因為太多人食不果腹，急需使用化肥增產糧食，因此人們沒有過分苛求成功“將空氣變成麵包”的巴斯夫公司。
然而，正是這種寬容，造成了此後的一次又一次的硝酸銨大爆炸，包括這次的貝魯特港口的硝酸銨大爆炸！
位於德國路德維希的巴斯夫公司奧堡大爆炸廢墟
歷史已過去100年了，今天的科技已非昔日可比，但人類還在重複著“昨天的故事”。人類從歷史中學到的唯一教訓，就是人類過去沒有從歷史中學到任何教訓。
安全生產是化學工業繞不開的達摩克里斯之劍，需要我們正視歷史，以史為鑑，未雨綢繆，防微杜漸。希望一次又一次的硝酸銨大爆炸，能夠喚醒企業界和各國政府。
