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哈伯–博施法：从空气中制氨

将 NX2\ce{N2} 和 HX2\ce{H2} 压缩通过铁催化剂，冷凝出氨并循环未反应气体。

目标

说明压力、温度、催化剂与循环如何协同实现工业规模的固氮。

仪器与试剂

虚拟合成回路：NX2\ce{N2}/HX2\ce{H2} 原料、压缩机、含助剂的铁催化床、冷凝器、循环。

步骤

  1. 随气流命名五个单元：供料、压缩、转化器、冷凝、循环。
  2. 对 NX2+3 HX2⇌2 NHX3\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}（ΔH<0\Delta H < 0）应用勒夏特列原理：为何用高压？为何温度适中而非最低？
  3. 跟踪循环：单程转化率约 15 % 时，未反应的 NX2\ce{N2}/HX2\ce{H2} 去向何处？
  4. 讨论为何把 NHX3\ce{NH3} 从回路中冷凝出来既能收获产物又能推动平衡正移。

观察要点

  • 平衡 NX2+3 HX2⇌2 NHX3\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3} 放热且气体体积减小——因此选择高压、适温。
  • 由于单程转化率有限，分离/循环单元把未反应气体送回——没有浪费。

讲解

合成氨是放热、摩尔数减少的平衡：4 mol 气体变为 2 mol。高压（约 200 bar）有利于产物，但温度过低会减慢速率，因此在含助剂的铁催化剂上约 450 °C 是工业折中。通过冷凝移出 NH₃ 并循环原料，总转化率远超单程值——这项反应工程杰作通过化肥养活了世界。

相关化学家

弗里茨·哈伯卡尔·博施

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虚拟实验是帮助建立直觉的简化模型，不能替代真实实验和安全培训；没有指导请勿在家自行重复。