氨是由什麼組成的？氨是一種無機化合物，由下列元素組成：氫和氮。氨水中氮與氫的比例為1：3，氨的分子式為NH3。
氨在工業生產之前就已經存在了；它是一種自然存在的化合物，是由土壤中的一些細菌捕獲空氣中的氮並將其轉化為氨而形成的。氨是透過生物分解產生的，比如枯萎的植物和腐爛的動物。在工業過程發展之前，氨的主要來源是有機物。
合成氨概述
氨合成是由氫氣和氮氣結合生產氨的過程。生產出來的大部分氨被用作肥料，儘管它也可以用於其他用途，比如製造炸藥。這一過程是20世紀初在德國發展起來的。
大氣中充滿了氮氣，但它是不活潑的，通常不與其他元素結合。製取氨的基本策略，NH3，是在高溫高壓下，將氫氣H2和氮氣N2結合。從化學上講，這是一個困難的反應，因此需要一種試劑來加速這個過程。
20世紀初，德國發明瞭氨合成技術。
催化劑是一種使反應進行得更快的化合物。在氨合成中，使用的催化劑一般是鐵。使用的鐵是還原磁鐵礦。還有其他化學物質可以用作催化劑，但鐵是最常見的。
氫氣的來源通常是天然氣，也稱為甲烷，CH4。介紹了氨合成的基本工藝。在合成氨廠還有許多其他步驟。硫化合物首先透過與氧化鋅反應從天然氣中除去，氧化鋅轉化為硫化鋅。這就剩下了遊離的甲烷，甲烷再經過幾次轉化生成氫氣。
使用的溫度約為400°C，使用的壓力小於最佳的反應。出於安全考慮，使用的壓力約為200個大氣壓。在此條件下，產率約為10-20%。當混合物離開反應堆時，它被冷卻，這樣氨就會變成液體。熱量被捕獲並重新用於加熱進入的氣體。
這種氨合成方法被稱為哈伯法，因為它是由德國化學家弗裡茨·哈伯發明的，他開發了化學反應的條件。20世紀初，他在含氮化肥短缺的情況下研製出了氨。當時德國需要為第一次世界大戰製造炸藥。目前，全世界都在大規模生產氨。
另一種製備反應所需氫的方法是電解水。電解利用電來分解化合物。在這種情況下，水被分解成氫和氧。這已經與水力發電廠的電力生產結合起來了。早在1911年，電解水就被用來為合成氨提供氫氣。
有些微生物能夠利用空氣中的氮氣生產氨。這個過程叫做固氮。在這種情況下，催化劑是稱為固氮酶的複合酶。進行這一過程的細菌生活在豆科植物的根部，如豌豆。固氮顯著改善了許多土壤的養分狀況。
合成氨流程
氫的製備
如前所述，氨是一種無機分子，由三個氫和一個氮組成。氫是氨中的主要元素之一。問題是，氫分子是如何分離和得到的？ 傳統的制氫方法有兩種，分別是電解水和甲烷與蒸汽的反應。
水的電解
電解水是利用電流將水分子分解為氫分子和氧分子的方法。很簡單，水分子被分解成氧和氫。這種生產方法使用電解槽，電解槽是由電解液、陽極和陰極組成的單元。每個電解槽都有獨特的功能，但最終，它們都提供了相同的結果——水分子的分解。
在聚合物電解質膜電解槽（PEM）中，採用塑膠固體作為電解液。本單元的內容如下：
水在陽極形成質子（帶正電的氫離子）和氧。
質子到達陰極（氧氣留在陽極）。
陽極產生的電子透過一個外部電路傳到陰極。
質子和電子在陰極上結合形成氫氣。
陽極和陰極上的反應。
2H₂O
→
O₂ + 4H+ + 4e-
4H+ + 4e-
→
2H₂
電解水的優點有:
主要的材料，水，是豐富的，而且非常便宜。
產生的氫氣是純淨的。
質子的高選擇性（氧不會到達陰極）。
電解水的缺點是:
電解廠排放的廢水量令人擔憂。
這些電廠的能源消耗和需求很大。
甲烷與蒸汽的反應
這種生產方法是將最簡單的烴類甲烷CH4 與溫度從700度到1000度的熱水蒸汽反應而成。這個過程發生在非常高的壓力下，在300kPa到2500kPa的範圍內。反應如下：
CH4 + H_2O + 熱量——CO + 3H2
水蒸氣和甲烷之間的反應也會產生少量的二氧化碳。這個反應吸熱性很強；它需要大量的熱量才能發生。一氧化碳被收集起來，在鎳或鉑等催化劑的存在下與水蒸氣發生反應。產生的產物是二氧化碳和更多的氫。
CO + H2O ——CO2 + H2
這種氣體混合物經過一個稱為變壓吸附的過程，這是一種利用壓力來分離氣體混合物成分的分離技術。氫氣被從其他雜質中分離出來，然後收集起來。
甲烷與蒸汽反應的優點是:
氫氣的產率非常高。
這種方法重新利用產生的一氧化碳來製造更多的氫氣。
甲烷與蒸汽反應的缺點是：
吸熱反應的發生需要過量的能量。
這個過程發生在極端條件下（高溫和高壓）；而且極端的條件是昂貴的。
該過程使用昂貴的催化劑。
氮的製備
氮是氨中的主要元素之一。它可以透過液態空氣的分餾或甲烷與空氣的反應得到。
液體空氣的分餾
壓縮空氣和所有氣體（氮氣和氧氣除外）被過濾掉。將純空氣混合物的溫度設定在氧和氮的液化點以下即可液化。液氮透過分餾從液態空氣混合物中分離出來。由於氮的沸點低於氧，氮的佔比上升，而氧留在底部。
液氣分餾的優點有:
與常規蒸餾塔相比，分餾法有更多的理論塔板，這使得分餾法在分離氣體混合物時非常有效。
提取的氮氣非常純淨。
液氣分餾的缺點有：
分餾是非常昂貴的。
需要大量的能量。
甲烷與空氣的反應
甲烷與空氣的反應是放熱燃燒反應。甲烷與空氣中的氧氣發生反應，氧氣約佔空氣的21%。剩下的79%的空氣是由氮組成的。當甲烷與空氣反應時，它被氧化成二氧化碳。惰性的氮；它不參與反應。
CH4 +空氣 ——CO2 + H2O + N2
產品混合物可以經過一個分離步驟，其中氮被收穫並從水和二氧化碳中分離出來。
甲烷與空氣反應的優點:
燃燒反應是放熱的，不需要像其他方法一樣多的能量。
這個過程比其他方法更便宜。
甲烷與空氣反應的缺點:
碳產物的形成可能對環境造成潛在危害。
氮的純度取決於產物分離步驟的效率。
氫氣和氮氣生成氨
反應塔中的化學合成
3 H 2 + N 2 ⇋ 2 NH 3
氨合成是一種放熱反應（負焓變），它在低溫下自發發生（負熵變）。儘管它在室溫下是有利的，但在室溫下發生的反應的反應速率太慢而不能應用於工業規模。為了提高反應動力學以達到目標轉化率，需要
高壓和高溫
。為了有效地從其主要成分（氫氣和氮氣）合成氨，反應應在鐵基催化劑的輔助下分別在 400-500 ℃和 10-30 MPa 的較高溫度和壓力下進行。由於三鍵氮的高解離能 （941 kJ/mol），需要此條件。
冷卻
由於氨的合成反應是一個放熱過程，為了得到液氨，需要將化學合成得到的氨氣冷卻處理。
氨的分離，以及氫氮的回收
當氣體離開反應器時，它們是熱的並且處於非常高的壓力下。只要氨不太熱，在壓力下很容易液化，因此混合物的溫度降低到足以使氨變成液體。即使在這些高壓下，氮和氫仍以氣體形式存在，並且可以迴圈使用。