世界人口的起爆器-哈伯合成氨技术
初中学习大师2020-11-25 21:44
氨气的分子式为NH3,1754年由英国化学家普里斯特利加热氯化铵和石灰石时发现。1784年，法国化学家贝托雷发现2体积的氨通过火花放电之后，分解为1体积的氮气和3体积的氢气，由此确定了氨是由氮和氢组成的。利用氮、氢为原料合成氨的化学原理，是一个很简单的方程式： N2+3H2→2NH3,但就是这样一个简单的反应，却难倒了众多的科学家，从第一次实验室研究到最终成功实现工业生产，经历了约150年的艰难探索时间。
1795年有人试图在常压下进行氨合成，后来又有人在50个大气压下试验，结果都失败了。19世纪下半叶，物理化学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆的，增加压力将使平衡向生成氨的方向移动；催化剂能显著提高反应速率。
1900年，法国化学家勒夏特列在研究平衡移动的基础_上通过理论计算，认为氮气和氢气在高压条件下可以直接化合生成氨。接着，他到实验室去进行实践探究，很可惜，由于他所用的氢气和氮气的混合物中混进了空气，在实验过程中发生了爆炸，这让他觉得这个实验有危险，在没有查明发生事故的原因的情况下，就放弃了这项实验。
稍后，德国物理化学家能斯特研究了氮、氢、氨的气体反应体系，进行了理论计算，可惜的是由于他在计算时用了一个错误的热力学数据，以致得出不正确的理论，竟然认为合成氨是不能进行的，因而把研究停止了。在物理化学研究领域有很好基础的哈伯发现了能斯特的错误，但是能斯特拒不接受哈伯的观点，还出言讽刺，由于能斯特的威望很高，哈伯争论不过，就暗下决心，一定要用实验事实来证明自己观点的正确性。
德国科学家哈伯根据理论计算的结果，探索氮和氢合成氨的问题。
为了能得到承受高压的容器，哈伯和助手罗塞格尔请实验室里的技术工人特制了一个厚壁石英管，并在其外侧加了一个铁保护层；此外，还特制了一批高压阀等零部件。实验结果表明，随着压强的不断提升，氨的产率不断增大。当压强加大到200个大气压时，温度即使下降到500600°C之间，氨的产率也不会明显减少。由于温度超过700°C时，大多数催化剂的活性都会急剧下降，所以他们的这一-结 果意义非常重大。氢气和氮气在600°C和200个大气压下进行反应，大约可以生成8%的氨气， 8%的转化率不算高，会影响生产的效益，哈伯认为，如果在高压下实现原料的循环利用，就能够降低规模生产的成本。
要使反应气体在高压下循环加工，并从这个循环中不断地把反应生成的氨分离出来。哈伯他们又对整个实验装置进行了多次改进，以便能够对反应生成的氨进行快速冷却处理，并可以利用反应过程中释放出的热量来预热输往反应室的氮气和氢气。此外，他们还设计了一个循环系统，以使反应室中未参加反应的气体经分离器分离后再返回反应室参加合成反应。
为了探索有效的催化剂，他们进行了大量的实验，发现锇和铀具有良好的催化性能。1908年10月，哈伯将他的氨合成法申请了专利。同时哈伯将他的成果介绍给德国当时最大的化工企业巴斯夫公司。哈伯在他的实验室做示范表演时，公司的经理和化工专家们亲眼看见清澈透明的液氨从分离器里一滴滴地流出来。大家都认为这种合成氨的方法具有很高的经济价值。公司取消了原先采用的电弧法，并且委任德国化学工程专家博施将哈伯研究的成果付诸生产。
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