先來聽個小故事

有一對好朋友──小均和小豪共同研發了一款美味的漢堡

某次小均到賣場時正好遇到也在購物的小豪

小均看著小豪從冰箱中拿出商品說

「如果我們的漢堡也能夠放進賣場的冰箱賣就好了」

這句話馬上讓小豪眼睛為之一亮

想到賺錢的好方法

除了找明星代言、打開廣告通路之外

小豪也開始著手量產漢堡

而在量產的過程中

有專家提議調整一下漢堡的生產條件

才能夠大大提高生產效率

小豪想雖然小均聽到會不答應

但是為了能在賣場的冰箱上販賣他們的漢堡

小豪立刻就接受了專家的提議

調整生產條件大量生產

現在請你思考一下！

在這個故事中

如果小均跟小豪是化學家

提出建議的專家是化學工程師

你知道化學家與化學工程師在工作性質的分工嗎？

在化學工業上要製備產品

設計廠房與設備前

需要化學家在實驗室中做實驗

除了研發之外

也收集相關必要的數據

接著再將研究的成果交由化學工程師設計與評估執行放大比例的部分

再進行大規模生產

化學工程師的研究著重在如何放大規模

進到工業化生產

以符合生產的經濟效應

因此我們生活的便利是由化學家與化學工程師的合作無間

「哈伯法製氨」是現今常見的化學工業製程

也是之前影片我們學習過的「勒沙特列原理的應用」

哈伯本人也因為此製程的貢獻得到化學諾貝爾獎

而哈伯法製氨的重要性

不僅僅只是打斷了很難打斷的氮氣的兩個氮原子之間叁鍵而已

這支影片我們會用勒沙特列原理與化工製程的觀點來學習哈伯法製氨

同時也會瞭解其貢獻的影響

1908年德國化學家哈伯和他的實驗室助理英國化學家羅塞格爾

共同研究能從空氣合成氨的方法

他們成功利用氮氣與氫氣合成氨

並且設計出可以承受200大氣壓的原始儀器

這個發明被譽為「從空氣中製作麵包」

1894~1911年期間

哈伯與德國化學工程師波希合作

把先前在實驗室發明的成果設計量產氨的製程

他們利用氫氣和空氣中的氮氣

在高溫、高壓的條件下

以鐵粉作為催化劑

並混合氧化鉀與氧化鋁以加強催化效果

此方法稱為哈伯-波希法

簡稱哈伯法

在攝氏25度時

氮氣與氫氣反應生成氨的熱化學反應式為

一莫耳氮氣+三莫耳氫氣產生兩莫耳氨氣

反應過程中會放出92.22千焦耳能量

根據化學平衡的角度、勒沙特列原理

若要使氨氣的產量提高

應設計反應有利於朝向生成氨的方向

首先此反應為勻相的氣相反應

當縮小反應系統的體積

就等於加大反應系統的壓力

平衡會向紓解壓力的方向移動

平衡反應式中

氮氣、氫氣、氨的係數比是 1:3:2

也就是說

每消耗 1 個氮分子與 3 個氫分子

可產生 2 個氨分子

對於此反應執行此操作

則有利於朝向生成氨的方向反應

使系統的粒子數減少

總壓力不至於增加過大

第二

高壓也可將產生的氨液化而移走產物更加有利向右反應提高氨的產率

最後

由於氨氣製備的方程式為放熱反應

根據勒沙特列原理

降低溫度時

平衡向放熱的方向移動

有利於氨的生成

此法以鐵粉作為催化劑

氧化鉀與氧化鋁加強催化效果助催化劑

然而催化劑的加入

只會造成反應的正逆反應活化能等量下降

因此在加入催化劑的瞬間

正逆反應速率等量增大

只加速到達平衡

縮短反應的時間

故當反應平衡時催化劑的存在與否

對平衡狀態不造成改變

即平衡不移動

就平衡的角度

高壓、低溫有利於氨氣的生成

但在工廠的角度仍需考慮效率

高壓下反應物的碰撞頻率增加

反應速率雖然也會增加

但壓力太高

危險性也會變大

盛載反應的容器勢必也造價昂貴導致成本提升

故一般製備採用的壓力約為 300-500 atm

即使低溫時平衡往右有利於氨氣

但因反應速率太慢

為了增加反應速率必須提高溫度

目前工業生產氨最適當的溫度約為 400-500 °C

是在產率與速率之間取得最佳的條件

為表彰哈伯的傑出貢獻

瑞典皇家科學院特將1918年的諾貝爾化學獎頒給他

而波希也因發明和開發化學高壓方法的貢獻

1931年也獲頒諾貝爾化學獎

哈伯法的重要性在於人類以人工的方式提高了作物產量

解決的當時的糧食問題與飢荒

當哈伯法出現後

農夫在田裡施以化學肥料

農作物的產量大大的提升

加上育種改良以及殺蟲劑、除草劑的使用

在20世紀時

小麥與稻米的產量提升了8-10倍（平均產量是4倍）

哈伯法製氨的反應式如畫面所示

下列有關該反應的敘述

哪些正確？

這個影片學習了哈伯法製氨

我們除了整合了勒沙特列的應用外

也同時帶入了化學工程的概念

勒沙特列原理下

哈伯法理論的反應條件為低溫高壓

目前工業上的製程條件是在 300-500 atm高壓

400-500 °C高溫下進行

也因為化學家與化學工程師的合作

將勒沙特列原理應用於製程中

並調節不同條件以符合短時間生產最大量的需求