高中化学氮肥的生产和使用苏教版必修一.doc

用心爱心专心氮肥的生产和使用哈伯－哈伯法合成氨的发明者哈伯－哈伯法合成氨的发明者FritzHaber1868一1934翻阅诺贝尔化学奖的记录就能看到1916一1917年没有颁奖因为这期间欧洲正经历着第一次世界大战1918年颁了奖化学奖授予德国化学家哈伯。这引起了科学家的议论英法等国的一些科学家公开地表示反对他们认为哈伯没有资格获得这一荣誉。这究竟是为什么？哈伯与诺贝尔化学奖随着农业的发展对氮肥的需求量在迅速增长。在19世纪以前农业上所需氮肥的来源主要来自有机物的副产品如粪类、种子饼及绿肥。1809年在智利发现了一个很大的硝酸钠矿产地并很快被开采。一方面由于这一矿藏有限另一方面军事工业生产炸药也需要大量的硝石因此解决氮肥来源必须另辟途径。一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮食问题为了使子孙后代免于饥饿我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式在20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一。利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题从第一次实验室研制到工业化投产约经历了150年的时间。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反应推向生成氨的方向：提高温度会将反应移向相反的方向然而温度过低又使反应速度过小；催化剂对反应将产生重要影响。这实际上就为合成氨的试验提供了理论指导。当时物理化学的权威、德国的能斯特就明确指出：氮和氢在高压条件下是能够合成氨的并提供了一些实验数据。法国化学家勒夏特里第一个试图进行高压合成氨的实验但是由于氮氢混和气中混进了氧气引起了爆炸使他放弃了这一危险的实验。在物理化学研究领域有很好基础的哈伯决心攻克这一令人生畏的难题。哈伯首先进行一系列实验探索合成氨的最佳物理化学条件。在实验中他所取得的某些数据与能斯特的有所不同他并不盲从权威而是依靠实验来检验终于证实了能斯特的计算是错误的。在一位来自英国的学生洛森诺的协助下哈伯成功地设计出一套适于高压实验的装置和合成氨的工艺流程这流程是：在炽热的焦炭上方吹人水蒸汽可以获得几乎等体积的一氧化碳和氢气的混和气体。其中的一氧化碳在催化剂的作用下进一步与水蒸汽反应得到二氧化碳和氢气。然后将混和气体在一定压力下溶于水二氧化碳被吸收就制得了较纯净的氢气。同样将水蒸汽与适量的空气混和通过红热的炭空气中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉从而得到了所需要的氮气。氮气和氢气的混和气体在高温高压的条件下及催化剂的作用下合成氨。但什么样的高温和高压条件为最佳？以什么样的催化剂为最好？这还必须花大力气进行探索。以楔而不舍的精神经过不断的实验和计算哈伯终于在1909年取得了鼓舞人心的成果。这就是在600℃的高温、200个大气压和锇为催化剂的条件下能得到产率约为8％的合成氨。8％的转化率不算高当然会影响生产的经济效益。哈怕知道合成氨反应不可能达到象硫酸生产那么高的转化率在硫酸生产中二氧化硫氧化反应的转化率几乎接近于100％。怎么办？哈伯认为若能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则这个工艺过程是可行的。于是他成功地设计了原料气的循环工艺。这就是合成氨的哈伯法。走出实验室进行工业化生产仍将要付出艰辛的劳动。哈伯将他设计的工艺流程申请了专利后把它交给了德国当时最大的化工企业--巴登苯胺和纯碱制造公司。这个公司原先计划采用以电弧法生产氧化氮然后合成氨的生产方法。两相比较公司立即取消了原先的计划、组织了以化工专家波施为首的工程技术人员将哈伯的设计付诸实施。首先根据哈怕的工艺流程他们找到了较合理的方法生产出大量廉价的原料氮气、氢气。通过试验他们认识到锇虽然是非常好的催化剂但是它难于加工因为它与空气接触时易转变为挥发性的四氧化物另外这种稀有金属在世界上的储量极少。哈怕建议的第二种催化剂是铀。铀不仅很贵而且对痕量的氧和水都很敏感。为了寻找高效稳定的催化剂两年问他们进行了多达6500次试验测试了2500种不同的配方最后选定了含铅镁促进剂的铁催化剂。开发适用的高压设备也是工艺的关键。当时能受得住200个大气压的低碳钢却害怕氢气的脱碳腐蚀。波施想了许多办法最后决定在低碳钢的反应管子里加一层熟铁的村里熟铁虽没有强度却不怕氢气的腐蚀这样总算解决了难题。哈伯的合成氨的设想终于在1913年得以实现一个日产30吨的合成氨工厂建成并投产。从此合成氨成为化学工业中发展较快十分活跃的一个部分。合成氨生产方法的创立不仅开辟了获取固定氮的途径更重要的是这一生产工艺的实现对整个化学工艺的发展产生了重大的影响。