氯化铵和熟石灰反应装置氯化铵和熟石灰( 二 ) _氯化铵

由于上述方法的缺点明显，因此在20世纪初，科学家就希望通过氢气与氮气反应得到氨气。所用的手段可以说是五花八门，包括但不限于使用催化剂或者高压电弧等等，尤其是后者，主要希望通过模拟自然界的固氮过程进行合成氨。但是无一例外这些手段最终都失败了。甚至人们一度以为合成氨是不可行的。
就在全人类都开始迷茫的时候，上几讲我们说到的热力学终于登场了，热力学大发展在19世纪中叶时期，其中热力学第二定律主要用于预测热力学体系发生变化的方向与可以到达的程度。在一系列努力下，人们开始尝试采用热力学预测化学反应发生的可能性与程度。为这方面做出突出贡献的是吉布斯与亥姆霍兹，他们相继提出了自由能的概念。

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我们来看看合成氨的反应，首先这个反应的吉布斯自由能变小于0，这就表明这个反应在热力学上是毫无疑问可行的，只不过反应速度非常慢而已，同时通过一系列的计算可以发现，这个反应需要在高温高压下进行。

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合成氨的突破是在1908年，合成氨可以说是在笔尖下预测的反应。德国化学家哈伯，通过一系列的计算预测了不同温度，不同压力下合成氨的转化率与平衡浓度，随后又通过大量实验进行验证。通过以上工作哈伯认识到，过去之所以采用氮气与氢气直接合成无法取得良好的效果，主要归咎于以下几个原因。
首先由于热力学的限制，这个反应单程转化率非常低，为了提高整体转化率，必须让反应气体在高压高温下进行循环，同时在循环的过程中还要想方法将氨气进行分离。
其次，反应活化能非常高，反应速度非常慢，因此需要配合有效的催化剂，才能经济地进行合成氨反应。
这一系列的实验工作在1910年左右完成，但是要实现工程化还是有一定困难的，主要是：合成氨是高温高压反应，设备与压缩机选型难度非常大。
最初合成氨的操作温度是175公斤与550摄氏度，这个压力相当于深海2000米左右的水压而550度的温度足以让铅熔化。大家都知道八大行星中金星表面环境恶劣可以说是人间地狱，但是进行表面的温度压力（90公斤，400度）比起合成氨反应器可以说是小巫见大巫了。
而要把这个温度压力下的气体用压缩机进行循环，对压缩机的密封与材料强度都是非常大的挑战。这个直到今天这都是一个非常棘手的问题。此外还有高效催化剂的问题，最初的催化剂是锇与碳化铀，直到后来才渐渐演变为了铁基催化剂。这项工作最终由哈伯与大名鼎鼎的BASF合作完成，该工厂于1911年建成，年产量9000吨。哈伯本人因为在合成氨领域的突出贡献获得了1918年诺贝尔化学奖。