哈伯的實驗裝置圖

㈧ 1909年化學家哈伯在實驗室首次將氮氣和氫氣在一定條件下合成了氨（NH 3 ）．常溫下，氨是一種無色有刺激

㈨ 弗里茨·哈伯的學術成就

獲得編外講師職位後，哈伯開始從事電化學研究。他的第一項成果，是硝基苯的還原作用。這項研究，使他聲名鵲起。這時的哈伯，最擅長的仍是有機化學，但同時，他又將新學到的物理化學知識應用於有機化學中。蓋特曼（L.Gattermann）及其他的化學家，對硝基化合物的電化學還原反應進行過研究，獲得大量的不同還原態產物。當時的研究似乎表明，這些還原產物的性質和相對比例，取決於電解質的酸鹼度、電流密度、通電時間和金屬電極的性質。認為還原作用是由初生態氫引起的。但這種觀點，無法解釋初生態氫在活性上的巨大差異。1898年，哈伯確立了電極電勢的重要性，澄清了電化學中的一些錯誤認識。
按照能斯特(H. W. Nernst)理論，氣體的電極電勢由電極上氣體的有效濃度決定。哈伯認識到，電極電勢由陰陽兩極氣體活度的比值所決定。在1898年發表的關於硝基苯的電化學還原反應的論文中，哈伯首次提出電極電勢決定還原能力的觀點，認為電極電勢越高，還原劑的還原能力越強。早期的研究者通常用比較恆定的電流密度，逐漸增大陰極的電勢。哈伯認為，這樣相當於使用還原性逐漸增強的一系列化學還原劑，同時生成一系列主要還原產物。哈伯計劃在電解過程中改變電流，在電流密度-電極電勢曲線的轉折點下，保持被極化陰極的電勢恆定，這樣，釋放出的氫用來還原去極劑。為了從低的陰極電勢開始，逐步分離主要的還原產物，哈伯用氫超電勢低的鉑（有時用鎳）作電極。他認為，氫超電勢高的電極如鋅，會產生很強的還原反應。他採納勒金的建議，使用輔助電極測定和控制陰極的電勢，用薄壁毛細玻璃管將輔助電極和陰極相連，這樣就消除了通過電解液的電勢降。
他用鉑作陰極，在低電勢下電解硝基苯的鹼溶液，出乎原先的預料，得到主要產物是氧化偶氮苯。根據巴姆貝格（Barmberger）一系列有關硝基苯、亞硝基苯和苯胲還原的研究，哈伯證明電化學還原反應和普通的化學還原反應遵循同樣的步驟：RNO2(硝基苯)→RNO(亞硝基苯)→RNHOH(苯胲)→RNH2(苯胺)，其它產物來源於副反應。氧化偶氮苯作為主要還原產物出現，是由於在鹼性溶液中，中間產物亞硝基苯和苯胲發生了去水反應：
RNO+ RNHOH=RNONR+H2O…………………………
哈伯證明，無論是普通化學反應還是電化學反應，都存在亞硝基苯和苯胲，亞硝基苯是一種比硝基苯更強的去極化劑，因此只能存在於極稀的溶液中。然而，通過偶氮染料固色，能夠檢測到亞硝基苯和苯胲。他還成功地通過硝基苯的電化學還原反應，制備大量的苯胲，該反應在弱鹼性緩沖溶液中進行，用適當高的電勢，以能夠瞬間還原亞硝基苯為苯胲，從而避免生成偶氮苯，但電勢又不能過高，以免進一步還原。他還探討了偶氮苯的生成，它也是硝基苯的一種電化學還原產物。氧化偶氮苯在強還原作用下只生成二苯肼。哈伯指出，硝基苯在鹼性溶液中按下列反應快速生成偶氮苯：
2RNO2+3RNHNHR=RNONR+3RNNR+3H2O…………
哈伯認為，在鹼性溶液中，用低氫超電勢的陰極電解硝基苯，主要產物是氧化偶氮苯；使用高氫超電勢的陰極電解硝基苯，還原作用更強，得到二苯肼，最終生成苯胺。
哈伯還研究了在酸性溶液中硝基苯的電解還原作用，發現反應（1）變得非常慢，但在強酸性溶液中，苯胲迅速轉變成對氨基苯酚，二苯肼轉變成聯苯胺，主產物有對氨基苯酚、聯苯胺和苯胺，比例由酸的濃度決定。
哈伯的成功，舉世注目，成為他在電解還原和氧化領域研究的極大推動力。1898年，在進入卡爾斯魯厄技術大學4年後，哈伯被提升為副教授，年僅30歲。同年，他的第一部著作《工業電化學的理論基礎》問世，進一步提高了他的聲譽。他已經建立了一個公認的電化學學派。這是他創造力最為旺盛的時期，但持續的超強度工作，損害了他的健康。他對工作的專注，達到忘我的境地。在早期的研究生涯中，他僅僅在他意氣相投的朋友小圈子中，尋找短暫的放鬆。和他交往的多是些教師、作家和藝術家，哈伯喜歡和他們一起高談闊論，但即使在這種場合，也不願讓自己的腦子休息。1902年，哈伯被德國本生學會作為代表派去參加美國電化學會年會，由此可以看出哈伯的聲譽。他出眾的才華和嚴謹的態度，給美國同行留下了深刻的印象。他在會所作的長篇報告，獲得了歐洲和美國化學家的好評。該報告於1903年發表在《德國電化學學報》，被認為是電化學工業史上具有永久價值的傑出文獻。 1904年，哈伯開始研究氨的平衡。當時，他擔任維也納馬古里（Margulies）兄弟的科學顧問，兄弟倆對新的工業固氮方法很有興趣。通過氮和氫的混合氣體，在催化劑的作用下，可以連續合成氨。但是，最大產率總是受到氨平衡的制約。哈伯決定首先研究這個問題。曾有化學家作過氮化鈣和氮化錳的還原和再生實驗，但由於需要高的溫度，表明鈣和錳這些金屬無法用做催化劑。1884年，拉姆塞（Ramsay）和 揚（Young）嘗試氨的熱合成法。他們發現，在800℃下，用鐵作催化劑，氨絕不會完全分解。於是，他們試圖利用其逆反應合成氨，可是根本得不到氨。通常認為，氮的化學性質極不活潑，只有在高溫下才能與氫化合，而實際上，高溫下氨的分解有非常徹底。
他的第一個探索實驗，是在1020℃下，以鐵作催化劑合成氨。雖然哈伯完全清楚高壓對氨合成有利，他還是選擇了一個大氣壓，因為需要的設備簡單。出乎哈伯的預想，實驗非常順利，第一次就實現了氨的平衡。然而，氨的濃度很低，在0.005%～0.012%之間，難以選擇一個最接近真實的數據。當時，他傾向於上限值，但後來的研究表明下限值才接近於真實值，高的產率可能是新制鐵催化劑的特殊作用。確定氨平衡狀態的最初目的達到了，他用這段話描述了他的實驗結果：「將反應管加熱到暗紅熱以上，在常壓下，不用催化劑，頂多隻有痕量的氨產生，即使極大地增大壓力，平衡位置依然不理想。在常壓下，使用催化劑，要獲得實際成功，溫度不能高於300℃。」看來直接合成氨作為工業固氮的基礎，似乎沒有多大的希望。哈伯放下這個問題，終止了和馬古里兄弟的合作。1906年，能斯特在考察氣體平衡的實驗數據時，發現在氨的個案中，哈伯的數據和熱定理計算值之間存在很大的差異。於是，能斯特在高壓下（50個大氣壓）,重新測定氨的平衡數據，使用高壓的目的是為了提高氨的濃度，從而降低實驗誤差。能斯特首次通過加壓合成了氨。他得到的氨比哈伯的數據少得多，和理論值比較接近，如在1000℃時，理論值0.0045%,能斯特0.0032%,哈伯0.012%。1906年秋，能斯特在給哈伯的信中談到了這一情況。於是，哈伯和羅塞格爾(Le Rossignol)用原來的方法，在一個大氣壓下重新測定氨的平衡數據，實驗非常精細，結果與先前的數值很吻合，如在1000℃時，新值為0.0048%,和原來測定的下限0.005%接近。同時證明如能斯特堅持的那樣，哈伯最初的近真值0.012%的確過高。哈伯與能斯特實驗數據的差異，大大縮小了，但沒有完全消除。1907年德國本生學會的會議上，能斯特報告了他的壓力實驗。在討論過程中，哈伯宣布撤回原先0.012%這一估值，並公布了新的數值。哈伯的數值依然比能斯特的高50%左右。能斯特拒絕承認哈伯新測定值的精確性，認為在一個大氣壓下，氨在平衡混合物體系中的濃度很低，建議哈伯應該在高壓下進行研究，以消除誤差來源。能斯特認為自己的數據才值得信賴，與熱定理相吻合。
哈伯堅信自己數據的精確性，視能斯特的觀點為自己的奇恥大辱，覺得自己的榮譽受到損害。哈伯和羅塞格爾立即對氨的平衡重新進行精確的測定。這次，是在30個大氣壓下進行實驗。他們的設備非常簡單，但能極好地滿足實驗目的。通過氨的熱分解，得到氮和氫的混合物，將其通過裝有鐵或錳催化劑的厚壁石英管。然後，平衡混合物被迅速移走，進行冷卻分析。哈伯根據新數據導出的自由能方程表明，氨的產率能夠高到適用於工業目的，只是條件苛刻，不易達到。例如，在600℃，200個大氣壓下，氨的轉化率達8%。但當時壓縮機所能達到的最大壓強也就是200個大氣壓，還沒有大規模的化學操作使用過如此高的壓力，而且最好的催化劑（鐵、錳、鎳）在700℃時活性大大降低。因此，如果克服了催化劑和高壓的障礙，無疑將開辟一條工業合成氨的光明之路，固氮的問題也就迎刃而解。哈伯接受了這個挑戰，因為，他有親密的理想合作夥伴羅塞格爾的鼎力相助。高壓技術不久在卡爾斯魯厄實驗室推廣使用，並得到羅塞格爾的改進。羅塞格爾心靈手巧，一流的實驗技能，有口皆碑。研究工作開始於1908年，他們設計製造了一種轉化器，它安裝在鋼制的高壓彈中，在200個大氣壓下能正常運轉。萬事皆備，只欠找到一種活性更高的催化劑。經過長時間探索，發現在550℃以下，鋨具有高的催化活性，可惜鋨太稀少。後來證明鈾有同樣高的催化活性。從根本上講，問題已經得到解決。使用新的裝置，鈾做催化劑，在550℃，150～200大氣壓下，氨的濃度已經很高了。在工作壓力下，經適度冷卻，氨被液化而分離，而氣體混合物通過轉化器、壓縮器和循環泵的封閉系統進行循環利用，同時不斷輸入適量的新鮮氣體混合物，最後安裝一個熱交換器，這套裝置簡直就是一個小型工廠，每小時生產數百毫升液氨，而且能耗極低。工業化合成氨的前景，似乎一片光明。但是，實驗室的方法很少能直接用於工業生產，必須對實驗裝置進行改進。
合成氨是哈伯一生最大的成就，但是，並它沒有馬上得到工業界的青睞，他收獲的是冷眼和懷疑。雖然BASF公司對固氮有濃厚的興趣，認為哈伯在氮的電氧化方面的研究很重要，但對哈伯合成氨的前景表示疑慮。經哈伯的好友和同事、BASF公司的顧問恩格耳(Car Engler)的極力推薦，BASF公司的技術領導才開始關注哈伯的工作。1909年7月的一天，BASF公司的工程師波施(C. Bosh)博士和化學家米塔(A. Mittasch)博士，來到卡爾斯魯厄觀看合成氨的演示實驗。米塔親眼看見流動的液氨，完全相信哈伯法的價值。回到路德維希(Ludwigshafen),他們立即著手將哈伯的成果付諸大規模的工業試驗。3年後，一座合成氨工廠正式投入運行。合成氨的大規模工業化的榮譽，一直屬於波施。雖然，卡爾斯魯厄實驗室為工業化生產氨邁出了最重要的一步，但要實現工業化仍面臨許多棘手的難題。在波施的領導下，對這些難題的成功解決，無疑是化學工程領域最卓越成就。哈伯於1919年獲得1918年度諾貝爾化學獎，1931年波施和貝吉烏斯(F. Bergius)獲得同樣的殊榮。哈伯在獲獎演說中謙遜地說道：「人們尚未充分認識到，卡爾斯魯厄實驗室其實並沒有為合成氨法的工業化作出過什麼貢獻。」在承認波施和貝吉斯為工業上高壓法的發展所做的傑出成就時，不能忘記高壓法的先驅哈伯和羅塞格爾。早在1907年，哈伯的實驗室就是著名的高壓研究中心。貝吉斯提出高壓下煤的氫化設想後，1908年到卡爾斯魯厄做了最初的一批實驗。
20世紀前10年，電弧作用下氮的氧化研究和工業應用獲得迅速的發展。在這個領域，哈伯的實驗室一直是重要的研究中心。在能斯特1904年對一氧化氮熱平衡進行測定之後，電弧固氮的純熱學理論得到普遍接受，但不久又引發了許多的疑慮。在一次實驗中，哈伯發現高產率與純的熱學理論不相符合，而電的因素在某種程度上發揮了作用。哈伯對這一課題產生了極大的興趣，在1906～1910年，對低溫電弧下固氮問題進行了深入細致的研究。由於反應物的電活性作用，在電平衡狀態一氧化氮的含量，超過同溫度下熱平衡時的含量。撤掉電場後，過量的一氧化氮將會分解，直到熱平衡完全建立。由於這個過程的速度隨溫度的下降而迅速降低，在足夠低的電弧溫度下，幾乎不發生分解作用，在這樣的條件下，一氧化氮的產率達到最大值。在達到最終的熱平衡時，高溫電弧必然導致低的產率。哈伯完全證實了這一理論。電平衡的建立也得到證明。讓空氣緩慢通過6cm長的交流電弧，在100mm汞柱壓力下，在一個狹長的、冷的石英管中燃燒，這樣得到的一氧化氮的產率遠比2000℃電弧時高。電弧溫度越高，產生的氧化物就多，同時分解作用也更利害。總的來說，哈伯的工作，具有巨大的理論和技術價值。 哈伯對火焰和燃燒問題的興趣，與早期研究燃料技術密切相關。1905年出版的《工業氣體反應熱力學》，就涉及到火焰中氣體反應的研究。最初的實驗是利用烴焰的均勻氣相，研究水–汽平衡。斯米特（Smithells）已發明火焰分離器，分析了火焰內錐的主要燃燒產物。20年前勒夏特里(Le Chatelier)首次計算出二氧化碳的離解常數和從火焰氣的組成推算出火焰溫度。1865年得維里(Deville)通過一根冷管獲得一氧化碳內焰的溫度。哈伯使用一種高冷卻效率的新式得維里管，獲取火焰錐間區的氣體。他證明，當氣體混合物通過溫度不低於1250℃的內錐時，平衡實際上瞬間就建立起來了。哈伯根據平衡常數和溫度的關系，推導出一個改進的廣泛適用的自由能方程。這樣，提取火焰的任意一點的氣體，進行分析，就能得到該點的溫度。採用這種化學火焰溫度計，哈伯分別測定了烴焰、一氧化碳焰、氫焰和乙炔焰的溫度，並且與後來其他研究者用不同方法獲得的數據非常的吻合。哈伯還研究了火焰中氮的氧化作用。眾所周知，氣體爆炸過程中會生成氮的氧化物，但鮮有人注意火焰中的這個過程。哈伯發現，在一氧化碳火焰中，在一個大氣壓下，固氮幾乎沒有發生，但在10個大氣壓下，氧化氮的產率大大增加。在相似的情況下，氫焰中氧化氮的產率僅只有一氧化碳火焰的一半。哈伯研究了火焰內錐的性質。據估計，內錐壁厚僅0.1毫米。哈伯證明它是火焰中最冷的部位，而非先前想像的最熱的部位。同時，該區域的反應速率特別快，化學發光強而且電離度較高。哈伯認為這三者之間有相互密切的內在聯系。
1906年，哈伯升任卡爾斯魯厄技術大學教授。1911年，受邀擔任柏林近郊達荷姆新建的威廉皇帝物理化學–電化學研究所首任所長。這個研究所於1912年正式落成。在德皇參加的落成慶典上，哈伯演示了他發明的瓦斯笛，這種裝置能夠檢測煤礦中危險氣體甲烷的存在，既耐用且效果良好，但並未投入使用。哈伯在達荷姆最初的工作，是完善有關合成氨的研究，盡可能精確地測定氨的平衡和相關的熱力學數據，獲得了最終的自由能方程式。同時，哈伯開始關注普朗克量子論在化學中的應用，是最早認識到普朗克理論在化學中重要意義的人。這成了他在達荷姆許多工作的基礎。哈伯特別關注新物理學知識在化學中的應用。他和好友波恩(M. Born)頻繁的討論，對他的學術思想有極大的幫助。波恩剛提出離子晶格理論：離子的晶格能由離子間的距離和作用力決定，固體反應的反應熱則等於其組分晶格能的代數和。波恩認為晶格能為氣態原子去掉一個電子生成氣態離子的能量和離子形成晶體的能量之和。哈伯清楚地說明了這種能量關系，因而被稱為波恩–哈伯循環，即晶格能U為生成熱Q、離解能D、升華熱S、陰離子電離能I和陽離子電離能E的代數和。哈伯還大膽地將波恩的理論用於HCl氣體，得到H++Cl-=HCl的反應熱，比循環過程計算值小得多。為了解釋這種偏差，1919年，他提出離子變形的觀點，這一思想後來在法楊斯那裡結出了豐碩的成果。

㈩ 1909年化學家哈伯在實驗室首次合成了氨．2007年化學家格哈德埃特爾在哈伯研究所證實了氫氣與氮氣在固體

（1）氮氣和氫氣在催化劑表面合成氨反應過程的順序為：氮氣和氫氣向內催化劑靠近，氮氣和容氫氣與催化劑混合，在催化劑的作用下氮氣和氫氣分解成氮原子和氫原子，氮原子和氫原子在催化劑的作用下生成氨分子，氨分子離開催化劑．故填：⑤④①②③．
（2）由圖中可知，每3個氫分子和1個氮氣分子生成2個氨分子，氫氣與氮氣反應時的化學計量數比是3：1．
該反應中反應物是兩種，生成物是一種，屬於化合反應．故填：化合．