氨与哈柏法

本页只讲工业制造物质一章的一条中四内容标准：氨与哈柏法。氨 NH₃ 是含氮肥料的起始原料，所以制氨的过程养活了世界的很大一部分。

考试会问氨的用途、哈柏法的原料、方程式与条件，以及为何选择那些条件。本题与接触法非常相似，一起学能省时间。

氨的用途

氨主要用来制造含氮肥料，如硫酸铵 (NH₄)₂SO₄、硝酸铵 NH₄NO₃ 和尿素 CO(NH₂)₂，为农作物提供氮。它也用来制硝酸 HNO₃、制造尼龙等合成纤维，并用于家用清洁剂。

由于肥料需求极大，氨以非常大的工业规模生产。

原料

两种原料是氮气与氢气。氮气取自液态空气的分馏，空气约五分之四是氮气。

氢气主要取自天然气（甲烷）与水蒸气反应。两种气体在进入反应器前先净化并按正确比例混合。

哈柏法的反应与条件

在哈柏法中，氮气与氢气按体积 1 : 3 的比例结合生成氨。该反应可逆：

N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

所用的条件是：

• 铁催化剂，加快反应（它不被消耗）；
• 约 450–500 °C 的温度；
• 约 200 大气压的高压。

离开反应器的混合物含有氨以及未反应的氮气和氢气。氨被冷却并液化后取出，而未反应的气体被循环送回反应器，使浪费的原料很少。

为何条件是一种折衷

由于正反应放热且减少气体分子数目，氨的理论产率在低温和高压下最高。但低温会使反应太慢。

因此约 450–500 °C 的选定温度是一种折衷，在铁催化剂帮助下，以合理的速率给出可接受的产率。高压有利于产率，但极高的压力昂贵而危险，所以选约 200 大气压作为产率与成本之间的实际平衡。

例题

题目。 在哈柏法中，氮气按 N₂ + 3H₂ → 2NH₃ 与氢气反应。

若 30 dm³ 氮气与氢气完全反应，试计算 (a) 反应掉的氢气体积和 (b) 所生成氨的体积。（所有体积在相同温度和压力下测量。

）

第一步，从方程式读出比例。 气体的体积比等于摩尔比，所以 N₂ : H₂ : NH₃ = 1 : 3 : 2。

第二步，求氢气的体积。 每 1 体积氮气，有 3 体积氢气反应。 H₂ 的体积 = 3 × 30 dm³ = 90 dm³。

第三步，求氨的体积。 每 1 体积氮气，生成 2 体积氨。 NH₃ 的体积 = 2 × 30 dm³ = 60 dm³。

答案。 (a) 反应掉的氢气体积为 90 dm³。

(b) 所生成氨的体积为 60 dm³。

练习题

题目。 (a) 写出哈柏法的平衡方程式。

(b) 说出所用的催化剂以及氮与氢的体积比。(c) 解释为何采用约 450 °C 的温度而不是低得多的温度，尽管更低的温度会给出更高的产率。

答案。 (a) N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃。(b) 催化剂是铁，氮与氢的体积比是 1 : 3。(c) 低得多的温度会给出更高的氨产率，但反应会太慢而不合经济。约 450 °C 的温度是一种折衷，以可接受的速率给出合理的产率；铁催化剂进一步加快速率，而不改变平衡的位置。

考试提示

这里的分数集中在三件事：带 ⇌ 号的平衡方程式、1 : 3 的比例与铁催化剂，以及折衷推理。绝不要只用一个向前的箭头写方程式，它是可逆的。

当被要求解释温度时，务必说出取舍的两面：温度更低意味着产率更高但速率更慢，所以选中等温度。并记住催化剂只改变速率，从不改变平衡的位置或最终产率，这是很常见的陷阱。

比较哈柏法与接触法

把两个过程并排对照会有帮助，因为它们的考法相同。两者都是可逆反应，在约 450–500 °C 的中等折衷温度下、配合催化剂进行。

接触法在约 1 大气压下用五氧化二钒催化剂；哈柏法在约 200 大气压的高压下用铁催化剂，因为压力对氨产率的影响大得多。两者都循环未反应的气体，且条件都在平衡速率、产率与成本。

如果你能为一个过程解释这种平衡，就能为另一个解释，而题目常常正是要你这么做。

本节定位

这是**工业制造物质一章的内容标准 8.2，紧接在硫酸与接触法之后。用本章复习笔记来加强，用例题**练习体积比与条件题。

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快速回顾

• 氨用于肥料、硝酸、尼龙与清洁剂。
• 原料：氮气（来自空气）与氢气（来自天然气 + 水蒸气）。
• 方程式： N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃，体积比 1 : 3。
• 条件： 铁催化剂，约 450–500 °C，约 200 atm。
• 条件是产率、速率与成本之间的折衷；未反应的气体循环使用。