アンモニアは何から得られますか？アンモニア製造原料

レッスンの目標。

教育-レッスン中、アンモニア、その構造、特性、生産および使用についての学生の新しい知識の形成を確実にするため。
アンモニア分子の構造を考えてみましょう。学生に水素結合を紹介します。アンモニアの特性を調べます。化学結合形成のドナー-アクセプターメカニズムを検討する
教育-主題に対する思考、関心を比較、一般化、発展させる能力。
教育-化学室での行動、ビデオを見ているときの観察、情報通信文化の形成。

装置。アンモニア水、結晶性NH4ClおよびCa（OH）2、フェノールフタレイン、ガスを得るための装置、HCl（濃）、KMnO4（O2を得るため）、KI、でんぷん、リトマス紙、晶析装置、シリンダー、ガラス棒、実験台。

授業中

I.基礎知識の実現。

私たちは化学的なトレーニングを行います。

a）窒素の可能な酸化状態に名前を付けます。

b）窒素はどのような場合に酸化特性を示し、どの場合に還元しますか？

c）窒素の物理的性質を一覧表示します。

d）窒素の化学的不活性の理由は何ですか？

e）窒素はどのような条件下で他の物質と反応しますか？

e）窒素は自然界でどのような形で発生しますか？

h）自然の生活における窒素の役割は何ですか？

II。新しい材料を学ぶ。

1.分子の構造。

冷蔵庫のドアを開けると冷たくなります。では、どのような物質がこの現象を引き起こしているのでしょうか？

ペアで作業します。

命令番号1。

1.窒素の水素化合物の反応式を書きます。

2.この化合物の電子式と構造式を描きます。

3.この分子の化学結合を決定します。

4.電子構造のどのような特徴が窒素原子に見られますか？

学生は教科書とペアで独立して働きますpp。47-48

次に、マルチメディア（スライドNo. 1、2、3、4）で完了したタスクの正しさを確認します。 プレゼンテーション .

2.アンモニアの物理的特性を決定します。

問題の質問。アンモニアが水によく溶ける理由は何ですか？

アンモニアの結晶格子は分子です。分子は軽いですが、窒素分子とは異なり、極性があります。

したがって、アンモニアにはどのような沸点と融点が必要ですか？

生徒：それは-低いと仮定することができます。

分子の極性により、静電引力を単純な分子間力に結び付けることができるからです。

分子の構造はまた、水への良好な溶解度を予測することを可能にします。

これは、水素という特別な化学結合の分子間の出現によるものです。（スライド番号5）。窒素原子は、アンモニア分子内に自由電子対を持ち、水素原子上に部分（+）電荷が存在し、窒素原子上に部分（-）電荷が存在します。

水素は、ある分子の水素原子と別の分子の電気陰性元素（F、O、N）の原子との間の結合です。（スライド番号5）

結論：圧力が上昇すると、アンモニアは液体状態に変わります。圧力の低下に伴う液体アンモニアの蒸発は、周囲の物体の強力な冷却を伴います。このプロパティは、冷凍ユニットで使用されます。

アンモニアは無色のガスです。
それは彼の口をくすぐります。
鼻を刺し、目を刺します。
アンモニアは有毒です！
アンモニアは溶剤です。
気体から液体への変化
アンモニアは反磁性体です。
また、電流は流れません。
乾燥アンモニア
空中で爆発します。
水に溶けます。
爆発物、肥料

そうではありません全リストそのアプリケーション。

3.実験室でアンモニアを入手する。

私たちは経験を示します。塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの混合物を加熱します。

2NH 4 Cl + Ca（OH）2 = CaCl 2 + 2NH 3 + H 2 O

得られたアンモニアを水に溶解し、フェノールフタレインを加えます。アンモニア溶液が紫色に変わります。

なぜアンモニア溶液が紫色に変わるのですか？

学生：溶液中に存在する水酸化物イオン、アルカリ性媒体。

先生。アンモニア水では、ほとんどのアンモニアがNH3分子の形をしており、平衡が左にシフトし（NH3は弱い電解質であるため）、このような水には多くのNH3分子が含まれているため、アンモニアのようなにおいがします。においの強い物質の溶液を適切に処理する方法を示します。

加熱するとフェノールフタレインで染色されたアンモニア水の変色を示します。なぜこれが起こったのですか？

学生：弱い接続。

加熱すると、ガス（NH3-ガス）の溶解度が低下し、アンモニアが蒸発し、反応平衡がさらに左にシフトし、水酸化物イオン（OH）が実質的に溶液中に残りません。水溶液は中性になります。

問題の質問：どのような原料から、どのようにして窒素肥料を生産することができますか？

学生空気中の窒素からと考えられます。

この課題は、D.I。メンデレーエフによってロシアの科学に提唱されました。「応用化学の課題の1つは、空気中の窒素から同化可能な窒素を含む化合物を取得するための技術的に有利な方法を見つけることです。農業の未来は大きく依存しています。そのような方法の発見。」

大気中の窒素を工業的に結合する最も費用効果の高い方法は、窒素と水素からアンモニアを合成することです。

先生：この反応を説明してください。

学生:

発熱
可逆
触媒
不均一
音量を下げて

先生：アンモニアの収率を上げるには、どのような平衡シフト条件が必要ですか？

学生：温度の低下、圧力の上昇。

アンモニアの排出量は少なく、このような指標で工業合成を行うことは不採算です。

アンモニアの実用的な収量を増やす可能性について学生と話し合います。生産効率の重要な基準は、反応器の生産性です。反応の進行に伴う窒素-水素混合物中のアンモニア濃度の増加に関する定量的データの分析により、反応時間を短縮することによって反応器の生産性を高めることができると結論付けることができます。これにより、ガス混合物が反応器を通過するごとのアンモニアの排出量が減少し、未反応のガスを生産に戻すことができます。したがって、循環のアイデアは重要な技術原理であり、経済的に便利であり、原子炉の生産性を向上させます。原材料の品質要件が必要です。アルゴン、メタンなどの不純物をできるだけ少なくする必要があります。原材料は、触媒に有毒な物質（硫黄化合物など）を完全に除去する必要があります。アンモニア合成の触媒は鉄であり、添加剤（アルミニウムと酸化カリウム）によって活性化され、高い安定した活性を与えます。

4.アンモニウムカチオンの形成は、ドナー-アクセプターメカニズムに従って進行します。

窒素原子は自由電子対を持っているため、水素カチオンと別の共有結合が形成され、水素カチオンは水または酸分子からアンモニアに移行します。（スライド番号6）

このメカニズムにより、水分子からの水素カチオン+ Hがアンモニア分子に付加され、イオン+ NH4が形成されます。この場合、交換メカニズムによって3つの共有結合が形成され、4番目はドナー-アクセプターメカニズムによって形成されます。ただし、すべての接続は同じです。

5.化学的性質。

a）アンモニアの水への溶解度。

実証経験：アンモニアを満たした試験管を、フェノールフタレインを少量加えた水で晶析装置に下げます。水はすぐに試験管を満たし、アンモニア溶液は真っ赤になります。

アンモニアの水への溶解度は非常に高く、700容量のアンモニアが1容量の水に溶解します。なぜアンモニアは水によく溶けるのですか？

学生。その理由は、水素結合の形成です。

先生：アンモニア水溶液はどのような環境にありますか？

学生：アルカリ性。

先生：では、アンモニアの水溶液にはどのような特性が必要ですか？

学生：基本。

これからどのような結論を引き出すことができますか？

結論：アンモニア水が塩基です。

先生：アンモニアの水溶液が塩基である場合、それはどの物質と相互作用しますか？

学生：酸で。

実証経験：「火を使わずに煙を出す」とは、アンモニアと塩酸の濃厚溶液で湿らせた2本のガラス棒を互いに近づけることです。これらの棒の間にたっぷりの煙が現れます。

完全および短いイオン方程式で、アンモニアの水溶液と塩酸との反応を記述します。

一人の生徒が黒板に反応式を書き留めてから、ノートのエントリを確認します。

NH 3 + HCl \ u003d NH 4 Cl

先生：どのような塩が形成され、それに名前を付けますか？

学生はこの塩に名前を付けます。

酸との相互作用によるアンモニウムカチオンの形成は、ドナー-アクセプターメカニズムに従って進行します。

なぜなら、ドナーは窒素であり、アクセプターは水素であるということです。窒素には自由電子対があり、水素には自由軌道があります。

アンモニアでは、窒素のs.d.は低くなります。（-3）。

では、アンモニアはレドックス反応で何になるのでしょうか？

アンモニアと酸素の相互作用のビデオをご覧ください（触媒の有無にかかわらず）。

ビデオを見た後、私はみんなに酸素との反応の方程式を書いてもらい、s.d。を書き留めてもらいます。電子バランス法による係数。

方程式を書くことの正しさをチェックします（スライドNo. 7、8）

結論：アンモニア中の窒素はより低いd.d. （-3）したがって、窒素は電子を提供することしかできず、そのSDを増加させます。したがって、アンモニアは還元特性のみを示します。アンモニアの化学的性質は、s.d。の変化に伴います。窒素およびドナー-アクセプターメカニズムによる共有結合の形成を伴う。

III。修正：

a）アンモニアはどのように識別できますか？（臭いによる;湿った表示紙の染色による-青色に変わる;濃塩酸で湿らせたガラス棒を持ち上げたときの煙の出現による）。

b）アンモニアが酸と反応すると、どのような反応が起こりますか？（接続）

c）アンモニアとリン酸の反応の方程式を書き、得られた塩の名前を付けます。

IV。宿題 $17c.52エクササイズ6,7,9-1レベル。 6-11-第2レベル。アプリケーションノートとアンモニア値を準備します。

アンモニアの入手方法

アンモニア製造の原料は、化学量論的組成N2：H2 = 1：3の硝酸-水素混合物（ABC）です。燃料、変換天然ガス（図14.5）。

米。 14.5。アンモニア製造原料

アンモニア製造の原料基盤の構造が変化し、自然に基づいてアンモニアの90％以上が製造されています。14.3は、アンモニア製造の主要な原料の構造の変化のダイナミクスを示しています。

表14.3。アンモニア製造の原料ベースの変化

窒素-水素混合物は、その調製方法に関係なく、物質の不純物を含み、その一部は触媒毒であり、可逆性（酸素、炭素酸化物、水蒸気）と不可逆性（水蒸気）の両方を引き起こします。さまざまな接続硫黄およびリン）触媒被毒。

これらの物質を除去するために、ABCは前処理を行い、その方法と深さはその性質と含有量、つまりABCの製造方法に依存します。通常、天然ガス変換によって得られるABCには一酸化炭素（IV）が含まれています。）、メタン、アルゴン、微量の酸素、最大0.4％vol。一酸化炭素（II）。

ABCを精製するために、液体スカベンジャーによる吸収（湿式法）および固体スカベンジャーによる吸着（乾式法）が業界で使用されています。同時に、洗浄プロセスは生産のさまざまな段階で実行できます。

変換のために提出する前にガスを供給します。

ガスを変換して一酸化炭素（IV）を除去します。

アンモニア合成直前の窒素混合物（ABC微精製）。

最初の2つのプロセスは、それぞれの業界の説明で考慮されています。

ABCの微精製は、液体試薬による不純物の化学吸着によって、そして最後に、それらの接触水素化または液体窒素によるABCの洗浄によって達成されます。

一酸化炭素（IV）と硫化水素を除去するために、ABCは、熱的に不安定な塩を形成するアルカリ試薬（エタノールアミンの水溶液またはジエタノールアミンの添加によって活性化された炭酸カリウムの高温溶液）で充填塔で洗浄されます。この場合、次の反応が起こります。

H 2S + CH 2OH-CH 2NH 2+ HS--？Н、

それで 2+ K 2CO3 + H 2おー？ 2KNSO3 -？N。

一酸化炭素（II）は、酢酸銅の銅-アンモニア溶液で洗浄することにより、ABCから除去されます。

CO + NH3 + + Ac？ + Ac-？H、

ここで：AC \ u003d CH3 SOO。

化学吸着に使用される吸収剤は、ABCから吸収されたものと不安定な化合物を形成します。したがって、溶液を加熱して圧力を下げると、溶解した不純物が脱着します。これにより、吸収剤の再生、プロセスへの復帰、およびスキームに従った吸収操作サイクルの確保が容易になります。

ここで、PはABCから吸収された混合物、Aは吸収剤、PAは混合物と吸収剤の組み合わせです。

もっと効果的な方法一酸化炭素（II）からのABCの精製は、-190°Cで液体窒素でABCを洗浄することです。これは、一酸化炭素（II）に加えて、メタンとアルゴンが除去される最新の設備で使用されます。

ABCの最終精製は、メタネーションまたは前触媒作用と呼ばれる不純物の接触水素化によって達成されます。このプロセスは、特殊なメタネーションユニット（図14.6）で、温度250〜300°C、圧力約30 MPaで、ニッケル-アルミニウム触媒（Ni + Al）上で実行されます。 2O 3）。この場合、鉄触媒の毒ではないメタンへの酸素含有不純物の還元の発熱反応が進行し、精製ガスの冷却時に水が凝縮し、そこから除去されます。

CO + ZN 2？ CH 4 + H 2彼、

それで 2+ 4H 2？CH 4 + 2H 2彼、

O 2+ 2H 2？2H 2彼

米。 14.6。 ABCメタネーションプラントのスキーム：1-コンプレッサー、2-ヒーター、3-メタネーションリアクター、4-給湯器、5-コンデンサー、6-除湿器

鉄触媒が前触媒作用で使用される場合、水素化プロセスでいくらかのアンモニアも形成されます。この場合、前触媒作用はブローイングと呼ばれます。

メタネーションプロセスは単純で制御が容易であり、進行中の発熱水素化反応によって放出される熱は、アンモニアを生成するための一般的なエネルギー技術スキームで使用されます。合成用に供給された精製ABCには、最大0025volが含まれています。アルゴンのシェア、0.0075vol。メタンのシェアとそれ以上、00004vol。最も強力な触媒毒である一酸化炭素（II）のシェア。

アンモニア合成のプロセスは、ガス量の減少とともに進行する可逆的な発熱反応に基づいています。

2+ 3H 2 + 2NH 3+Q。

ルシャトリエの原理に従って、圧力が上昇し、温度が低下すると、この反応の平衡はアンモニアの形成に向かってシフトします。プロセスの最適な速度を確保するには、触媒、圧力の上昇、400〜500°Cの温度、および反応するコンポーネントの特定の体積速度が必要です。産業界では、Al酸化物を添加した鉄触媒が使用されています。 2O 3、に 2O、CaO、SiO2 .

アンモニア合成装置には、低圧（10 ... 20 MPa）、中圧（20 ... 45 MPa）、高圧（60 ... 100 MPa）の工業用システムがあります。この場合、窒素-水素混合物からのアンモニア分離の問題は、十分に高いプロセス速度で最もうまく解決されるため、世界の慣行では、中圧システムが広く使用されています。

CH 4+ H2 O？ CO + 3H 2

大気中の酸素中で水素の部分燃焼が発生します。

H 2+ O 2 = H 2O（蒸気）

その結果、この段階で、水蒸気、一酸化炭素（II）、および窒素の混合物が得られます。

アンモニアを製造するための設備の主要なユニットは合成カラムです（図1.1）。中圧システムの管状カラムは、壁の厚さが最大200 mm、直径が1〜1.4 m、高さが約20mのクロムバナジウム鋼製のシリンダー4です。上から閉じています。以下はスチールカバー2。

構造的には、柱は主に本体のサイズと内部パッキンの装置が異なります。検討中のカラムの上部には触媒ボックス3があり、下部には熱交換器8があり、これにより自己熱プロセスが保証されます。触媒ボックスは中央管によって熱交換器に接続されています。7。カラム本体には断熱材があります。5。触媒は火格子にロードされます。6。均一な温度分布を確保するために、二重パイプ1が触媒床に導入されます。

米。 1.1。二重向流熱交換管を備えたアンモニア合成カラム

現在、アンモニア合成塔は廃熱回収のために蒸気ボイラーと組み合わされています（1トンのアンモニアは1.5 ...2MPaの圧力で0.6...1トンの蒸気を占めます）。中圧アンモニア合成塔は、1日あたり約150トンのアンモニアを処理でき、触媒を交換せずに4年間運転できます。

中圧下でのアンモニアの合成（図1.1）では、窒素と水素の混合物（N 2：N 2= 1：3）カラム1に供給され、そこでアンモニアが触媒上で合成されます。窒素-水素-アンモニアガス混合物がカラムを出て（アンモニア含有量-14 ... 20％）、温度は約200°Cになります。この混合物はウォータークーラー2に送られ、35°Cに冷却されてセパレーター3に入ります。ここで、カラムで形成されたアンモニアの最大60％がガスから放出されます（30 MPaの圧力では、アンモニアは凝縮できません）。完全にクーラーボックス内）。窒素と水素の混合物を低温に冷却すると、アンモニアがより完全に放出されます。分離器３からのアンモニア残留物とのこの混合物は、循環圧縮機４に送られ、次にフィルター６に送られ、圧縮機油を分離する。フィルターの入口で、新鮮な窒素-水素混合物が循環ガスに追加され、多段コンプレッサー5を使用して動作圧力に圧縮されます。フィルターから、ガス混合物は、で構成されるアンモニア二次凝縮システムに供給されます。凝縮塔７および液体アンモニア８の蒸発器。凝縮塔において、ガスは、塔の上部に配置された熱交換器で予冷され、次いで蒸発器８に送られ、そこで、入ってくる液体アンモニア、ガスは-5°Cに冷却され、アンモニアはガスから凝縮されて、その中の約2.5％NH3の残留含有量になります。凝縮したアンモニアは、分離器である凝縮塔７の下部に放出される。アンモニアの分離後、窒素-水素混合物は、カラム７の上部に入るガスを冷却し、次に再び合成カラム１に送られる。

高圧（45MPa以上）でのアンモニア合成の場合、ウォータークーラーの出口での窒素-水素混合物中の残留アンモニア含有量はわずかであるため、二次凝縮の必要はありません。

米。 17.16。中圧下でのアンモニア合成のための設備のスキーム

アンモニア製造の技術的プロセスとその特性の説明。

。アーク法。アーク法は、電気アークの炎を通して空気を吹き込むことから成ります。約3000℃の温度で、可逆反応が起こります

2 + O 2？2NO-Q。

得られた一酸化窒素（II）は、酸化されて一酸化窒素（IV）になり、硝酸やその他の化合物に加工されます。この方法で1トンの結合窒素を得るには、60,000〜70,000kWhの電力が消費されます。

2.シアナミド法。アンモニアを生成するために使用された最初の工業プロセスは、シアナミドプロセスでした。石灰CaOと炭素を加熱すると、炭化カルシウムCaC2が得られた。次に、炭化物を窒素下で加熱して、カルシウムシアナミドCaCN2を得た。シアナミドの加水分解により、さらにアンモニアが得られた。

CaCN 2（テレビ）+ 3N 2O = 2NH 3？ + CaCO3 （テレビ）

このプロセスは多くのエネルギーを必要とし、経済的に不採算でした。

アンモニアを得る最新のプロセスは、約1000°Cの温度で細かく粉砕された炭化カルシウムが次の式に従って窒素と相互作用する能力に基づいています。

CaS 2+ N 2= CaCN2 + C + 302 kJ

シアナミド法による結合窒素の生成の割合は非常に小さいです。

窒素固定のアンモニア法は、特殊な触媒を使用して窒素と水素から合成することで構成されています。

2+ 3H 2？ 2NH3 ？ + 45.9 kJ

この方法は、元素窒素固定の他の方法に比べて経済的および技術的な利点があります。

3.アンモニア法。大気中の窒素を結合するアンモニア法は、窒素と水素を組み合わせてアンモニアを得ることにあります。

N 2+ 3H 2？2NH 3+Q。

これは最も経済的であり（電力消費量はアンモニア1トンあたり4000〜5000 kWh）、他の大気窒素固定方法と比較して技術的に実装が容易です。窒素化合物の総生産量では、90％以上がアンモニアによって占められています。この反応のための水素は、炭化水素の熱分解、石炭または鉄に対する水蒸気の作用、水蒸気によるアルコールの分解、または水の電気分解によって得られます。

4.アンモニア法の変形。1909年に、ボーキサイトから窒化アルミニウムを介してアンモニアと酸化アルミニウムを同時に製造するための独自の方法が、図1に示すスキームに従って開発されました。 14.4。

米。 14.4。ボーキサイトからのアンモニアの生成

この方法による産業設備は、1909年から1918年の期間に建設されました。多くの国で使用されていますが、生産効率が低いため、この方法は適用されていません。

化学的および主要な生産スキーム。

硝酸-水素混合物からのアンモニア合成プロセスの主な段階は、次の式で表されます。

N 2+ 3H2 = 2NH 3

ただし、ABCを生成する主な方法はメタンの空気および水蒸気改質であるため、アンモニアを生成するための化学スキームには、この反応に加えて、空気および水蒸気改質のいくつかの反応が含まれます。

CH 4+ H 2O = ZH2 + CO、

CH 4+ 0.5O 2（N 2）= 2H 2（N 2）+ CO

その後の一酸化炭素（II）から一酸化炭素（IV）への変換：

CO + H 2O = H2 + CO 2

アンモニア生成吸収カラム

ガス混合物から一酸化炭素（IV）を除去し、その組成を補正した後、窒素と水素の含有量を1：3の比率でABCを取得します。

この上、現代の生産アンモニアは2つの段階で構成されます。ABCの準備とアンモニアへの変換は、ABCの取得操作、アンモニアの精製と合成を組み合わせ、プロセスのすべての段階の熱効果を効果的に使用する単一のエネルギー技術スキームを表します。エネルギーコストを削減するために数回許可します。

米。 14.7。回路図アンモニア生産

1-硫黄化合物からの天然ガスの精製、2-メタンの水蒸気改質、3-メタンの水蒸気改質、4-一酸化炭素（II）の変換、5-ABCの化学吸着精製、6-メタン化、7-アンモニアの合成、8-吸収アンモニア、9-アンモニア圧縮、I-天然ガス、II-変換ガス、III-ABC、IV-メタン

アンモニア製造の基本的なスキームは、次の3つの段階で構成されています。

最初の段階はABC（窒素混合物）の生産です：

私の操作：硫黄化合物からの天然ガスの精製;

私の操作：メタンの蒸気変換;

私の操作：メタンの空気変換;

I操作：一酸化炭素（II）の変換。

第二段階は、バラスト不純物と触媒を汚染する不純物からのガス精製です。

I操作：一酸化炭素（II）および一酸化炭素（IV）からの吸収法によるABCの精製。

I操作：メタネーションまたは前触媒作用による一酸化炭素（II）および一酸化炭素（IV）からのABCの微精製。

第三段階は、触媒の存在下でのABCからのアンモニアの合成です。

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反応速度と化学平衡に対する温度、圧力、触媒の影響は、化学産業で多くの化学製品の製造に積極的に使用されています。このセクションでは、鉱工業生産アンモニアとこれらすべての要因がその生産にどのように影響するかについて考えます。次に、硫酸の工業生産について学びます。

工業用アンモニアの生産

英国には8つのアンモニアプラントがあります。彼らの共同生産性は年間200万トンを超えています。現在、世界中で年間約500万トンのアンモニアが生産されています。イチジクに 7.1アンモニア生産の成長は、世界の人口の成長と比較されます。なぜ生産する必要があるのですかたくさんのアンモニア？

米。 7.1。世界人口の増加とアンモニアの世界生産。

表7.2。アンモニアおよび関連製品の用途

主に窒素含有肥料の生産に必要です。肥料の生産は、生産されるすべてのアンモニアの約80％を消費します]窒素含有肥料と一緒に、それはほとんどの植物が必要とする可溶性の形で土壌に適用されます。生成されたアンモニアの残りの20％は、ポリマー、爆発物、その他の製品の製造に使用されます！アンモニアのさまざまな用途を表に示します。 7.2。

アンモニア生産

アンモニアを生成するために使用された最初の工業プロセスは、シアナミドプロセスでした。石灰と炭素を加熱して炭化カルシウムを得た後、窒素下で炭化カルシウムを加熱してカルシウムシアナミドを得た。アンモニアはカルシウムシアナミドの加水分解によって得られました：

このプロセスは多くのエネルギーを必要とし、不経済でした。

1911年、F。ハーバーは、鉄触媒を使用して窒素と水素から直接アンモニアを合成できることを発見しました。この方法でアンモニアを製造した最初のプラントは、水中での電気分解によって得られた水素を使用し、その後、コークスによる還元によって水から水素が得られるようになりました。この水素製造方法ははるかに経済的です。

フリッツ・ハーバー（1868 1934）

1908年、ドイツの化学者Haberは、鉄触媒上で水素と大気中の窒素によってアンモニアを生成できることを発見しました。このプロセスには、高圧と適度な高温が必要です。ハーバーの発見により、ドイツは第一次世界大戦中も爆発物を製造し続けることができました。当時、エンテンテの封鎖により、以前は爆薬の原料として使用されていた硝酸カリウム（チリソルトピーター）の自然鉱床のドイツへの輸入が妨げられていました。

ハーバーがアンモニア合成プロセスを開発してから1年後、彼は溶液のpH（酸塩基特性）を測定するためのガラス電極を作成しました（第10章を参照）。

ハーバーは1918年にノーベル化学賞を受賞しました。ヒトラーが権力を握った後、ハーバーは1933年にドイツからの移住を余儀なくされました。

（アンモニアからの硝酸と硝酸塩の生成については、セクション1で説明します）

現代のアンモニア製造プロセス

アンモニアを得る最新のプロセスは、鉄触媒を使用して、380〜450°Cの温度と250気圧の圧力で窒素と水素から合成することに基づいています。

窒素は空気から得られます。水素は、天然ガスまたはナフサからのメタンの助けを借りて水（蒸気）を還元することによって生成されます。ナフサ（ナフサ）は脂肪族炭化水素の液体混合物であり、原油の処理中に得られます（18章を参照）。

現代のアンモニアプラントの作業は非常に複雑です。イチジクに図7.2は、天然ガスで稼働するアンモニアプラントの簡略図を示しています。この行動計画には8つの段階があります。

第一段階。天然ガスからの硫黄の除去。硫黄は触媒毒であるため、これが必要です（セクション9.2を参照）。

第二段階。ニッケル触媒を使用した750°Cおよび30atmの圧力での蒸気還元による水素の生成：

第3ステージ。噴射された空気の酸素中の水素の一部の空気取り入れと燃焼：

その結果、水蒸気、一酸化炭素、窒素の混合物になります。水蒸気は、第2段階と同様に、水素の生成とともに減少します。

第4ステージ。次の「シフト」反応による、ステップ2および3で形成された一酸化炭素の二酸化炭素への酸化：

このプロセスは、2つの「せん断反応器」で実行されます。最初のものでは、酸化鉄触媒が使用され、プロセスは400℃のオーダーの温度で実行されます。 2番目は銅触媒を使用し、プロセスは220℃の温度で実行されます。

米。 7.2。アンモニアを得るための工業プロセスの段階。

第5ステージ。炭酸カリウムの緩衝アルカリ溶液またはエタノールアミンなどのアミンの溶液を使用して、ガス混合物から二酸化炭素を洗い流します。二酸化炭素は最終的に液化され、尿素を作るために使用されるか、大気中に放出されます。

第6ステージ。第4段階の後、約0.3％の一酸化炭素がガス混合物に残ります。一酸化炭素は、アンモニア合成（8番目のステップ）中に鉄触媒を汚染する可能性があるため、325°Cでニッケル触媒上で水素からメタンへの変換によって除去されます。

第7ステージ。現在約74％の水素と25％の窒素を含むガス混合物は圧縮されています。その圧力は25-30気圧から200気圧に増加します。これにより混合物の温度が上昇するため、圧縮後すぐに冷却されます。

第8ステージ。コンプレッサーからのガスは「アンモニア合成サイクル」に入ります。図に示すスキーム。 7.2は、この段階の簡略化されたビューを提供します。最初に、ガス混合物は、鉄触媒を使用し、380〜450℃の温度を維持する触媒コンバーターに入ります。このコンバーターを出るガス混合物は、15％以下のアンモニアを含んでいます。その後、アンモニアは液化されて受入ホッパーに送られ、未反応のガスはコンバーターに戻されます。

アンモニア合成プロセスの最適条件の選択

アンモニア合成プロセスを可能な限り効率的かつ経済的にするためには、その実施条件を慎重に選択する必要があります。この場合に考慮される最も重要な指標は、1）出力、2）速度、および3）プロセスのエネルギー強度です。プロセスの第8段階、つまり直接アンモニアの合成に目を向け、このプロセスの効率に対する圧力、温度、および触媒の影響を調べてみましょう。

圧力の影響。上記のように、アンモニアの生成は次の式で表すことができます。

この反応の平衡定数は次の式で与えられます。

この式に含まれるガスの分圧をモル分率とシステム内の全圧Pで表すと、次の式が得られます。

この式は、次の形式で簡略化できます。

与えられた温度で、値は一定に保たれなければなりません。システム内の全圧Pが上昇すると、上記の式の項は減少する必要があります。したがって、マグニチュードは一定のままでなければならないため、比率を大きくする必要があります。したがって、全圧の増加は、増加および減少につながるはずであり、したがって、圧力の増加は、順方向反応、すなわち、アンモニアの収率の増加に有利に働く。

温度と触媒の影響。アンモニアの合成は発熱過程です（表7.1、aを参照）。したがって、温度の上昇は逆反応に有利に働くはずです（前のセクションを参照）。これは、温度を下げるとアンモニア合成反応の収率が上がることを意味します（図7.3）。残念ながら、しかしながら、低温では、この反応の速度、したがってアンモニアの生成速度は大幅に遅くなります。言い換えれば、低温では、プロセスの生産性が低くなり、したがって効率が低くなるはずです。最適なパフォーマンスを実現するには、次の2つの極端な方法から妥協点を選択する必要があります。

1）高収率および低反応速度（低温で）および

2）低収率および高反応速度（高温で）。

米。 7.3。ハーバープロセスでのアンモニア収量に対する温度と圧力の影響（「相対収量」という用語はセクション4.2で説明されています）。

もちろん、触媒を使用することで反応速度が速くなります。したがって、触媒は、プロセスが低温でより効率的に実行されることを可能にする。アンモニアの合成に使用される鉄触媒の効率は、いわゆる促進剤がそれに加えられると増加します。カリウムと酸化アルミニウムは、鉄触媒の効率を高めるために使用されます。

アンモニア合成プロセスの経済性の詳細なレビューは、最適な収率と生産性を達成するために、温度を約400℃に、圧力を250気圧に維持する必要があることを示しています。

エネルギーバランス

典型的なアンモニアプラントは、毎日約1000トンのアンモニアを生成します。同時に、コンプレッサーが作動する蒸気タービンを駆動するために必要な水蒸気は1日あたり6000トンです。幸いなことに、アンモニアの生成に関与する化学プロセスは発熱性です。に放出されるすべてのエネルギー初期段階アンモニア製造プロセスは、高度に圧縮された蒸気を生成するために使用されます。アンモニア合成自体（ステージ8）から直接放出されるエネルギーは、触媒コンバーターの温度を400°Cに維持するために使用されます。アンモニアプラントの全体的な熱効率は約60％です。言い換えれば、天然ガスによって供給される消費されるエネルギーの約40％は熱損失です。

アンモニアプラントの設計上の特徴

現代のアンモニアプラントの設計、その人員配置と運用には、資格のある専門家の参加と複雑なエンジニアリング機器の使用が必要です。たとえば、空気を圧縮するプロセスの第3段階と合成ガス（窒素と水素の混合物）を圧縮する第7段階で使用されるコンプレッサーは、非常に高い圧力（場合によっては最大350気圧）に耐えるように設計する必要があります。これらのコンプレッサーは、100気圧の圧力と400°Cを超える温度で蒸気を受け取る蒸気タービンによって駆動されます。このようなタービンは、毎分最大数千回転の速度で回転します。

アンモニア合成が行われる反応器も、非常に高い要件を満たす必要があります。これらの原子炉が作動する高圧および高温では、水素は金属に拡散することによって鋼を攻撃する可能性があります。その結果、水素は鋼に含まれる炭素と反応してメタンを形成します。これにより、金属に穴が形成され、鋼がもろくなります。これを防ぐために、原子炉はクロム、モリブデン、ニッケルを含む特殊合金で構成されています。

アンモニアプラントの場所も経済的に非常に重要です。理想的には、そのようなプラントは1）エネルギー源の近くに配置する必要があります。

2）大量に使用できる水源。

3）輸送ルート：高速道路、鉄道、川や海。

英国の4つのアンモニアプラントが川沿いのビリンガムの近くにあります。 Tay（スコットランド）。この場所は、ダーラムの石炭鉱床に近いため、かつて選ばれました。北海大陸棚の石油とガスの堆積物に近接しているため、今日でも便利であることが証明されています。

アンモニア（NH 3）は、窒素と水素の化合物です。刺激臭のある軽いガスです。肥料、ポリマー、硝酸などの物質を製造するには、産業界や研究所でアンモニアを入手する必要があります。

業界では

アンモニアは、水素と組み合わせることによって窒素から工業的に生産されます。窒素は空気から、水素は水から取られます。この方法は、ドイツの化学者フリッツハーバーによって最初に開発されました。アンモニアを製造するための工業的方法は、ハーバープロセスと呼ばれるようになりました。

反応は、体積の減少と熱の形でのエネルギーの放出とともに進行します。

3H 2 +N2→2NH3+Q。

反応は可逆的であるため、いくつかの条件を満たす必要があります。高圧および低温では、生成されるアンモニアの量が増加します。ただし、低温では反応速度が遅くなり、温度が上がると逆反応速度が速くなります。

経験的に、反応に必要な条件が見つかりました。

温度-500°C;
プレッシャー-350気圧;
触媒-酸化鉄Fe3O 4（マグネタイト）と銀、カリウム、カルシウムおよびその他の物質の酸化物の不純物。

これらの条件下で、得られるガスには30％のアンモニアが含まれています。逆反応を避けるために、物質は急速に冷却されます。低温では、結果として生じるガスは液体に変わります。未使用のガス（窒素と水素）は合成カラムに戻されます。この方法は、大量のアンモニアを迅速に取得するのに役立ち、原材料を最大限に活用できます。

米。 1.工業的にアンモニアを入手する。

適切な触媒を見つけるために、20,000種類の物質が試されました。

研究室で

実験室でアンモニアを得るには、アルカリとアンモニウム塩の反応を使用します。

NH 4 Cl+NaOH→NH3+ NaCl + H 2 O

また、アンモニアは、実験室で消石灰と一緒に加熱された塩化アンモニウムから、または水酸化アンモニウムの分解によって得ることができます。

2NH 4 Cl + Ca（OH）2→CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O;
NH4OH↔NH3+H2O。

米。 2.実験室でアンモニアを入手する。

アンモニアは、石灰と水酸化ナトリウムの混合物を使用して完全に乾燥させることができ、その混合物に得られたガスが通過します。同じ目的で、液体アンモニアを金属ナトリウムと混合し、蒸留します。

アンモニアは空気より軽いので、試験管を逆さまにして回収します。

応用

アンモニアはさまざまな産業で使用されています。

の農業-窒素含有肥料の生産用。
業界で-ポリマー、爆発物、人工氷の製造用。
化学の分野-硝酸、ソーダの製造用。
医学では-アンモニアとして。

米。 3.肥料の製造。

私たちは何を学びましたか？

アンモニアは、工業的および実験室の方法で製造されます。工業規模での生産には、窒素と水素が使用されます。高温高圧下で触媒作用下で混合すると、単純な物質がアンモニアを形成します。高温での反応が逆方向に進むのを防ぐために、ガスは冷却されます。実験室では、アンモニアは、アンモニウム塩をアルカリ、消石灰と反応させるか、水酸化アンモニウムを分解することによって得られます。アンモニアは、化学工業、農業、医学、および化学で使用されます。