化學，拯救饑餓

很難想象現代世界如果沒有化學會是什么樣子。作為一門研究物質的學科，化學自誕生之日起就和人類的需求緊密聯系在一起。我們吃進去的一切，都是化學作用的結果。在和饑餓做斗爭的過程中，人類發明了化肥、農藥，以及各種各樣的食品添加劑。如何吃得更好、更安全？讓化學告訴你。

說到鹽，人們馬上能夠聯想起這種超級調味品的咸味。地球上到處都是鹽，從占據大部分地表的海水、到人體內的血液，它幾乎無所不在。

這是自古以來就存在的化合物。人們通過蒸發海水或從地下鹽礦采集食鹽，并利用科學技術充分發揮它的功效。除了能夠給乏味的食物增添味道之外，食鹽還有著一萬四千多種用途——它可以使肉類保存得更久；也可以幫助鏟除積雪；如果在鹽水溶液中通電后，就會得到氯、苛性鈉和氫等化合物，而這些是很多產業的基本原料。不過，鹽究竟是什么？

姚建年（中國科學院院士 中國化學學會理事長）：鈉跟氯形成氯化鈉，就是我們生活中用得很多的鹽。

化學家稱它為氯化鈉。不過，鈉是金屬、氯是鹵素，在元素周期表上的排列位置相隔甚遠，究竟是什么力量，使這兩種元素結合在一起的呢？（圖1）

世間萬物都由元素組成。而元素由原子構成?？茖W家對原子結構的探索，或許有助于解開謎團。

在原子中，電子沿著固定的電子層，圍繞原子核運動。每層的電子數目不同。比如鈉有11個電子，2個在一層，8個在二層，在最外層只有1個電子。氯有17個電子，2個在一層，8個在二層，還有7個在最外層。要完全達到穩定狀態，原子都希望最外層排滿電子。所以鈉原子會放棄外層的這1個電子，而氯原子的最外層顯然缺電子，要得到1個才能圓滿。這樣，通過交換電子，鈉原子和氯原子就黏在一起，變成了氯化鈉。（圖2）（圖3）

所以，無論是來自于鹽湖的鹽，還是來自海洋的鹽，都是由一份鈉和一份氯這樣化合的，所以全世界的食鹽都是一個味道。

通過交換最外層的電子，兩種元素可以結合成化合物。20世紀初，化學家根據這一理論制造了數百萬種化合物，正是這些化合物，改變了現代人的生活面貌。

姚建年：只有化學才能創造新物質，到目前為止有3000多萬新的物質是化學家合成出來的。

在世界科學史上，一群偉大化學家的成就和名字被永遠地留在了人類社會發展的文明史冊上。正是他們的努力，改變了現代人的生活。

在這些備受尊敬的科學天才中，卻有一個極富爭議的歷史人物——德國人弗里茨·哈伯。1918年12月，就在瑞典皇家科學院宣布化學獎獲得者是哈伯之前，他剛剛被戰勝國列入戰犯名單。這個化學家把自己的實驗室變成了為戰爭服務的軍事機構，并親自擔任德國毒氣戰的科學負責人。（圖4）

將科學界的至高榮譽授予一個戰犯，在當時引起軒然大波。瑞典皇家科學院認為哈伯當之無愧，理由是由哈伯發明的工業化合成氨法，“使人類擺脫了依靠天然氮肥的被動局面”。這個奠定現代化肥工業基礎的科學天才，究竟做了些什么？

19世紀末，隨著世界人口數量的快速膨脹，糧食需求量日趨增大，怎樣在有限的耕地上生產出更多糧食，成為橫亙在人們面前的一個現實難題。

如同人類離不開氧氣，農作物生長離不開氮磷鉀?？茖W家很早就認識到，給土地施含有氮的肥料，能有效地增加糧食產量。

周志強（中國農業大學理學院院長）：作物生長過程中必需的元素大概有16種，當然還有其它微量元素。在16種元素中，其實對植物生長很有好處，需要較多的就是氮磷鉀三種元素。

說到氮，人們一定不會陌生。空氣中有78%是氮氣，看起來人們不必為生產化肥發愁。然而，事情并沒有這么簡單。

周志強：人們在很早以前就已經意識到氮在植物生長過程中起著非常重要的作用，但是氮氣卻沒法被植物獲得。因為空氣中的氮氣非常穩定，很多人試圖通過氮氣加氫氣來合成氨氣，找到一個固定氮的辦法，找到一個能被植物吸收的氮的形式，但是做不到。

空氣中的氮氣像個“老頑固”，很難和其它物質發生反應，通常只有在打雷閃電時，少量氮氣才會和空氣中的另一種成分——氧氣發生反應，生成一氧化氮，再經過一系列變化變成氮肥，隨著雨水落到土壤中。農業上有句諺語叫“雷雨發莊稼”，說的就是這個現象。

一年中，打雷的日子并不多，面對空氣中近乎取之不盡用之不竭的氮資源，卻不能加以利用，這實在是很可惜的事。

姚建年：花生這個植物，能夠利用光合作用，把氮轉換成為有用的養分，但人工還沒有辦法做到那樣。

如何將空氣中“飄忽不定”的氮“固定”下來，生產成化肥，成為20世紀初各國科學家關注的焦點。其中，合成氨就是一種重要的人工固氮方法。

氫氣與氮氣反應能生成氨，氨是氮的一種重要化合物。但是，由于氮氣不活潑，兩者的反應很難進行。哈伯意識到，必須尋找到一種物質，能夠使氫氣和氮氣的反應加快。

終于，經過無數次嘗試后，哈伯在高溫高壓條件下，用金屬鋨做催化劑，成功地提高了合成氨的反應速度。

王佛松（中國科學院院士）：把兩個原本不能反應的元素的能級，降到可以互相結合的級別，這就要靠催化劑。

催化劑堪稱是化學反應的“變速器”，在化學研究和化工生產中，扮演著舉足輕重的角色。弗里茨·哈伯的這一輝煌成就，使得他被永載史冊。

周志強：合成氨的工藝在整個化肥的歷史上非常重要，如果沒有合成氨的工藝，很難想象氮肥從哪去獲得那么的氮元素。

這是人工固氮技術的重大成就，從此之后，無論是北美洲的玉米，還是華北平原的小麥，都結束了對天然氮肥的依賴。

白春禮（中國科學院院長）：到目前為止，氮肥仍是農業必不可少的肥料，一直在使用。沒有合成氨，糧食產量會大受制約，滿足不了人類人口快速增長對糧食的迫切需求。

另一方面，合成氨推動了化肥工業及其它工業的迅猛發展，化肥如同糧食的“糧食”，帶給人類的益處無法估量。

周志強：現在FAO（世界糧農組織）估計，化肥對糧食增產的貢獻，大概在50%左右，如果沒有化肥，全球糧食減產要超過50%?？梢娀蕦φ麄€糧食增產起著決定性的作用。

韓國電影《金氏漂流記》講述了一個現代魯濱遜的故事。在無人小島上，主人公無意中種下一顆玉米，一段時間后，他收獲了一片玉米。

現實生活中，一株玉米可不會如此順利地健康成長。除了地理、氣候、品種等決定性因素外，它還要面臨病蟲害的考驗。

自然界中的昆蟲，大概有300種對人類有害，它們吞噬糧食、傳染疾病。只要條件適合，害蟲就會爆發成災。人們不得不想方設法對付它們。

周志強：農業面臨著很多災害，最主要的是蟲害。比如歷史上蝗蟲災害頻發，蝗蟲所到之處，糧食幾乎絕收。所有的天然農藥，比如重金屬農藥，砷類農藥，比如燃燒煙草，燃燒有味的植物，對蝗蟲都沒有效果。

傳統的滅蟲方法效果微乎其微，害蟲不僅威脅著農業，還傳播諸如瘧疾、斑疹傷寒等疾病。

斑疹傷寒，一種由虱子傳播的烈性傳染病。僅僅第一次世界大戰期間，它就吞噬了300萬人命。人類迫切需要一種既能有效殺滅害蟲，又對人類安全的化合物。

1939年，瑞士化學家保羅.米勒開發出一種化學殺蟲劑。人們發現，當把它用在士兵身上時，虱子被殺死了。

周志強：它的化學名叫二氯二苯基三氯乙烷，名稱中因為有二二三，英文縮寫是DDT，所以把它簡稱為DDT。

人們排著隊接受噴灑DDT，三個星期后，曾經肆虐的斑疹傷寒被控制住了。作為殺蟲劑，DDT在農田中大顯神通。噴灑DDT 的飛機在農田中穿梭，人類第一次找到了對付害蟲的有效手段。

周志強：DDT一方面能控制害蟲，保證農業豐收，另一方面能控制一些疾病的傳播。像由蚊蟲叮咬而導致的瘧疾，腦炎等。

DDT所到之處，因蚊蟲傳播的登革熱、腦炎等，消失得無影無蹤。發病率接近于零。

1948年，人類將一項至高無上的科學榮譽，諾貝爾生理與醫學獎，授予DDT的發明者——保羅.米勒。在疾病防治領域和農業上一鳴驚人的DDT， 被視為人類的救星。（圖5）（圖6）

周志強：DDT之前沒有化學農藥，DDT之后有了666有機氯農藥；若干年后出現了有機磷；再后出現了氨基甲酸酯。DDT開創了有機合成農藥先河。

如果說化學肥料是一把確保糧食增產的利劍，那么以DDT為代表的化學合成農藥，則是人類保衛糧食免災的盾牌。

白春禮：糧食如果沒有化肥、農藥，天然產量滿足不了人類對于糧食的需求?；瘜W為人類糧食供給提供了最重要的保障。

隨著科學認識的不斷發展，人們發現DDT并非完全無害，化學性質非常穩定的DDT，進入了食物鏈，并在環境中不斷累積。從海洋生物到人類的脂肪，到處都能發現DDT的殘留。這種發現令人恐懼，人類對DDT的態度也發生了大轉變。70年代后，DDT逐漸被各國明令禁止生產和使用。

隨之而來的，卻是瘧疾在發展中國家的瘋狂反撲。在非洲，每年因瘧疾死亡的人數高達100萬，其中絕大多數是兒童。平均每30秒，就有一名兒童死于瘧疾。世界衛生組織不得不在2006年公開號召，在南部非洲開始重新使用DDT。

一方面人類已經離不開化學農藥，另一方面它又的確對環境和健康有負面影響，如何正視化學合成殺蟲劑，成為急需解決的社會問題。

白春禮：任何一個東西，包括新的技術，都有兩重性，或叫雙刃劍，關鍵看怎么利用它，化學也一樣。它的發明可以造福人類，但如果使用不當，也會造成一系列問題。

周志強：實際上，無論是我國還是國外，化學農藥帶來的環境問題，最嚴重的是化學農藥被濫用，而不是化學農藥本身的問題

我們的餐桌上究竟有多少化學農藥？這已經成為公眾最關心的問題之一。

周志強院長正在做的研究中，包括長期追蹤我國幾大地區市場上常見蔬菜的農藥殘留含量。值得一提的是，人們正是采用化學分析的方法才能鑒定污染物質，并尋求解決問題的辦法。

周志強：化學家要努力去合成高效低毒易降解的農藥。高效意味著在環境中使用的量越來越少；低毒就是盡量去合成對人類健康有較低影響的農藥；降解就是噴灑農藥把蟲子殺滅后，能很快降解掉，而不是殘留農藥降解期非常長，帶來很大累積對環境造成壓力。

綠色化學概念已經逐漸深入人心。上個世紀，化肥和殺蟲劑改進了農業生產，拯救了人類的饑餓危機。在現代，化學添加劑則改變了食品的味道、外觀、實用性和營養價值。人類不但要求“吃得飽”，還要“吃得更好、更安全”。

現在的飲料，是多種化學物質調配的。主要成分包括：人造香料、檸檬酸、苯甲酸鈉和玉米糖漿等。每年，我們都會喝掉大量這樣的混合物。

周志強：一瓶飲料中逃脫不了著色劑，乳化劑，防腐劑等這些制劑。這么多的化學添加劑，是不是一定對人類造成很大危害呢？其實也不是。因為添加劑只要符合國家標準，添加量沒那么大，它就是安全的。

只要去超市走一圈，便能夠發現無處不在的化學的力量：品種豐富的冷藏肉、香甜的巧克力，以及各種口味的飲料……事實上，如果不依賴添加劑，幾乎所有的加工食品都將無法存在。

周志強：沒有化學食品添加劑，就沒有現代食品工業。我們吃的面可能都是死面疙瘩，因你沒有蓬松劑。餅干，方便面，啤酒，飲料全部都不存在。

我們吃進肚子的一切，都和化學有關。或許，是重新認識食品添加劑的時候了。

白春禮：比如，三聚氰氨是塑料的添加劑，是一個很重要的工業原料，但是放在牛奶里，則是非法的事，會產生嚴重后果。你說是化學問題還是管理問題？還是不法商人的道德、法律意識問題呢？不能怪化學家合成了三聚氰氨，而是不法商人為謀取暴利，而不顧道德和法律的約束。

近年來，隨著食品安全問題不斷被關注，各種各樣的添加劑也在曝光下變得敏感。或許，和DDT一樣，需要被重新審視的并不是這些化學品，而是我們自己。