从空气里取氮
空气里近八成是氮，庄稼用不上。把氮和氢压到 100–250 巴、热到 350–550 °C，在铁上结合成氨；造出的氨约七成做化肥。
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用不上的氮
干空气里 78% 是氮气。蛋白质和 DNA 都离不开氮，可氮气是两个氮原子以三键相连，拆开它要 945 千焦每摩尔，是同种原子组成的双原子分子里最牢的键。植物不能直接用它。
自然里能拆开它的，是一些固氮微生物和闪电。按 Fowler 等人 2013 年的估算，陆地上的微生物每年固定约 5,800 万吨氮，海洋里约 1.4 亿吨，闪电约 500 万吨。
2010 年，工厂从空气里固定了约 1.2 亿吨氮，其中 1 亿吨做成化肥，已经是陆地上自然固氮的两倍。这些氮都从同一个反应开始：氮和氢合成氨。
干空气中氮气 78% · N≡N 键能 945 千焦每摩尔 · 2010 年工业固氮约 1.2 亿吨（Fowler 等 2013）
一个可逆的反应
N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃：一个氮分子和三个氢分子结合成两个氨分子。反应放热，在 25 °C 每生成 2 摩尔氨放出约 92 千焦。
它是可逆的：氨也在不断分解回氮和氢。两个方向一样快的时候，氨就不再增加，这叫平衡。
左边 4 个分子，右边 2 个，反应让气体变少，所以压力越高，平衡越偏向氨；反应放热，所以温度越低，平衡越偏向氨。塔里的小球是示意：蓝的是氮，白的是氢，不按比例。
N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃ · 25 °C 时每生成 2 摩尔氨放热约 92 千焦 · 4 个分子变成 2 个
冷了太慢，热了太少
温度越低，平衡时的氨越多：在 200 巴，300 °C 时约 68%，500 °C 时只有约 19%（本页按热力学数据计算）。可温度一低，反应就慢得几乎停下。
升温让反应变快。按一个工业回路模型的速率式算，在 200 巴、同一份气体里，450 °C 的反应比 400 °C 快约 3 倍，比 350 °C 快约 10 倍。
常见的条件是 350–550 °C、100–250 巴：这是折中，再用催化剂加快反应。即使这样，气体每过一次反应塔，也只有两三成变成氨。
200 巴下的平衡氨：300 °C 约 68%，500 °C 约 19%（计算）· 工业上：100–250 巴、350–550 °C · 每过一次转化 20–30%
铁的表面
装进塔的是磁铁矿（Fe₃O₄），加了几个百分点的氧化铝、少量氧化钾和氧化钙。投用时，合成气把它还原成多孔的铁，这才是催化剂。
氮分子落在铁的表面，三键在那里被拆开，氮原子再一个一个接上氢，成为氨离开。埃特尔用表面实验证明，最慢的正是氮分子在铁上拆开这一步；氧化钾改变铁的电子，氧化铝和氧化钙让铁的结构不塌。
这种催化剂是 BASF 的米塔施找到的。他们把每份约 2 克的样品装进小筒里试，到 1910 年试了 2,500 多种配方、6,500 次。效果特别好的，是 1909 年 11 月试的一份瑞典磁铁矿。
磁铁矿 + 氧化铝、氧化钾、氧化钙 → 还原成铁 · 最慢的一步：N₂ 在铁上拆开 · 到 1910 年：2,500 多种配方、6,500 次试验
剖开反应塔
反应塔是一个厚壁的承压容器，里面套一个薄壁的内筒，催化剂分几层装在内筒里。冷的进气先流过外壳和内筒之间的夹层，让承压的外壳保持凉。
气体从上往下穿过一层催化剂，反应放热，越走越热：在一种设计里，第一层约 400 °C 进、约 500 °C 出。温度高了平衡就差，所以每层之间要把气体冷下来，再进下一层。
台上是三层、两个层间换热器的原理模型，不是哪一家的设计。真实的塔更细更高。催化剂颗粒也小得多，只有几毫米（轴向流 6–10 毫米，径向流 1.5–3 毫米）。
外壳靠进气冷却 · 第一层约 400 °C 进、约 500 °C 出（Appl 1997）· 层间冷却
一圈又一圈
每过一次只有两三成变成氨，剩下的不能扔。出塔的气体先冷下来，冷到 0 °C 左右，氨凝成液体，在分离器里落到底部放出。
没反应的氮和氢从分离器顶上出来，和新补进的合成气汇合，由压缩机加压，再送回反应塔。
原料气里带着少量氩和甲烷，它们不反应，会越积越多，所以要一直放掉一小股，让它们保持在 10–15% 左右。
冷到约 0 °C，氨凝成液体 · 没反应的气体加压后再回塔 · 惰性气放掉一小股，保持在 10–15%
氢从哪里来
氮来自空气，氢多半来自天然气：甲烷和水蒸气在高温下转化成氢和一氧化碳，一氧化碳再和水蒸气变成二氧化碳和更多的氢。二段转化炉里加进空气，带来合成要用的氮，配成 3 份氢、1 份氮。
2020 年世界产氨 1.85 亿吨，72% 用天然气，26% 用煤。平均每吨氨排放约 2.4 吨二氧化碳；最好的天然气装置约 1.8 吨，最好的煤气化装置约 3.2 吨。
合成氨用掉全球终端能源的约 2%，排放能源系统二氧化碳的约 1.3%（IEA 2021）。用低排放的方式（比如用低碳电力电解水）造的氢，2024 年还不到全球氢产量的 1%。
每吨氨约 2.4 吨二氧化碳（平均）· 全球终端能源的约 2% · 低排放的氢不到 1%
1909 年的台式装置
在卡尔斯鲁厄工业大学，哈伯和勒·罗西尼奥尔造了一套小装置：气体压到约 200 个大气压，在 500–600 °C 的锇或铀催化剂上反应，氨冷凝下来，没反应的气体循环回去再走一遍。
1909 年 7 月 2 日，BASF 的米塔施在场，它不停地运转了约五个小时，一直流出液氨（哈伯第二天的信）。那天的液氨封在玻璃管里，现藏伦敦科学博物馆。
哈伯的产率是每立方厘米高压反应室每小时几克氨。这个工艺 1908 年已由 BASF 买下，放大它的任务交给了卡尔·博施。
约 200 个大气压 · 500–600 °C · 锇或铀催化剂 · 1909 年 7 月 2 日连续出氨约五小时
被氢吃掉的钢
BASF 早期的反应管是碳钢管，壁厚约 30 毫米，从外面加热。两根曼内斯曼厂造的管子，各用了 80 小时就爆了。
剖开一看，管子内侧的珠光体不见了：高温高压下，氢钻进钢里，夺走其中的碳（生成甲烷），钢变得又硬又脆。
博施的办法：外面一根承压的钢管，里面衬一层很薄的软钢。氢穿过内衬后，沿内衬外表面车削留下的细槽和外管上钻的许多小孔跑掉，压力积不起来，后来这些孔叫“博施孔”。台前的标本就是这个原理。第一台带内衬的反应塔造于 1911 年 3 月；1913 年 9 月，奥堡的工厂投产，设计能力每天 30 吨。
碳钢管：80 小时后爆裂 · 软钢内衬 + 外管钻孔，氢从小孔逸出 · 奥堡：1913 年 9 月投产，每天 30 吨
粮食里的氮
按美国地质调查局的估计，2025 年全世界产氨约含 1.6 亿吨氮，合约 1.9 亿吨氨；约七成用来做化肥。
按 Erisman 等人 2008 年的估算，当年世界上靠合成氨氮肥养活的人约占 48%；斯米尔 1999 年的估算是近五分之二。这是对“没有它会怎样”的估算，不是统计。
氮肥的大部分没有进到人的食物里：2005 年，农业用了约 1 亿吨哈伯-博施法的氮，人吃下的只有约 1,700 万吨。同一套工厂也供应了战争：诺贝尔奖官网的哈伯传记写道，1914 年德国制造炸药用的硝酸盐断了来源，奥堡和 1917 年建成的洛伊纳工厂让德国得以把一战拖得更久。
2025 年约 1.6 亿吨氮（USGS 估计）· 约七成做化肥 · 约 48% 的人口靠它养活（Erisman 等 2008 的估算）
一层一层拿出来
反应塔拆成：顶盖、三层催化剂、两个层间换热器、内筒和承压外壳。
指针停在哪一件上，它就被单独托出来，标出名字；不动时，零件轮流托出。
顶盖 · 第一层 · 换热器 · 第二层 · 换热器 · 第三层 · 内筒 · 外壳
温度和压力
读数一：平衡时的氨含量，按 3 份氢、1 份氮，用热力学数据和 Peng–Robinson 状态方程计算。读数二：催化剂上的相对速率，用一个工业回路模型的速率式，对含氨 3% 的气体计算，450 °C、200 巴时记作 1。
图上的浅色带是工业上常用的范围。塔里的小球是示意：平衡越偏向氨，变成氨的越多；反应越快，变得越早。
读数：平衡氨含量 · 相对速率（450 °C、200 巴 = 1）· 塔里的分子是示意
试一试把压力定在 200 巴，温度从 350 °C 拨到 550 °C：平衡时的氨从多少降到多少？相对速率涨了多少倍？
模型省略了什么
台上是原理模型：反应塔、压缩机、冷却器和分离器的样子、大小和位置都是画的，不是哪一座工厂；真实的塔更细更高，催化剂颗粒只有几毫米。实际的冷却分好几级（先用水，再用蒸发的液氨），压缩机也常分几段，这里各画一个。塔里的分子是示意，不按比例，也不按真实的数目。实验台的平衡按 3 份氢、1 份氮、不含惰性气计算，用 Peng–Robinson 状态方程修正真实气体；按理想气体算，结果和哈伯 1920 年的表相差不到 0.5 个百分点。速率只看比值，用的是一个工业回路模型的速率式，没有算催化剂颗粒里的扩散，也没有算塔里温度的变化。
几个容易误会的地方
催化剂不改变平衡，只让反应更快地接近平衡。降温让平衡更偏向氨，却让反应变慢。每过一次只转化 20–30%，不等于原料浪费：没反应的气体会循环回去，损失的只是为排掉惰性气放掉的一小股。“养活约一半人口”是估算，依赖于对产量、饮食和其他办法的假设；Erisman 等给出 2008 年约 48%，斯米尔 1999 年说近五分之二。用电解水造氢，合成氨这一步不变，变的只是氢的来源；2024 年这样的低排放氢还不到全球氢产量的 1%。
常见问题 · 5
- 植物为什么不能直接用空气里的氮？
蛋白质和 DNA 都离不开氮，可氮气是两个氮原子以三键相连，拆开它要 945 千焦每摩尔，是同种原子组成的双原子分子里最牢的键。
01用不上的氮 ↑- 合成氨在什么温度和压力下进行？
常见的条件是 350–550 °C、100–250 巴：这是折中，再用催化剂加快反应。
03冷了太慢，热了太少 ↑- 合成氨里最慢的是哪一步？
氮分子落在铁的表面，三键在那里被拆开，氮原子再一个一个接上氢，成为氨离开。
04铁的表面 ↑- 没反应的氮和氢去哪里了？
每过一次只有两三成变成氨，剩下的不能扔。
06一圈又一圈 ↑- 博施怎样解决氢脆的问题？
博施的办法：外面一根承压的钢管，里面衬一层很薄的软钢。
09被氢吃掉的钢 ↑
资料来源
- 欧盟《氨、酸和化肥工业最佳可行技术参考文件》（2007）：压力 100–250 巴、温度 350–550 °C、每过一次转化 20–30%、冷却分离、驰放惰性气、二段转化加空气
- M. Appl（1997）：The Haber-Bosch Heritage，IFA 技术会议（400–500 °C、分床和床间冷却、颗粒大小、催化剂的筛选和成分、奥堡每天 30 吨）
- F. Haber（1920）：The synthesis of ammonia from its elements，诺贝尔演讲（200 个大气压、锇和铀催化剂、他的平衡表）
- C. Bosch（1932）：The development of the chemical high pressure method during the establishment of the new ammonia industry，诺贝尔演讲（80 小时后爆裂的管子、脱碳、软钢内衬和钻孔）
- G. Ertl（2007）：Reactions at surfaces: from atoms to complexity，诺贝尔演讲（氮在铁表面解离是最慢的一步、助剂）
- V. Smil（1999）：Detonator of the population explosion，Nature 400, 415（1909 年 7 月 2 日的运转、奥堡投产日期、近五分之二的估算）
- 伦敦科学博物馆藏品 1952-391/2：1909 年 7 月 2 日合成的第一批液氨
- D. Fowler 等（2013）：The global nitrogen cycle in the twenty-first century，Phil. Trans. R. Soc. B 368: 20130164（每年固定的氮）
- J. W. Erisman 等（2008）：How a century of ammonia synthesis changed the world，Nature Geoscience 1, 636（48% 的估算、氮的利用）
- IEA（2021）：Ammonia Technology Roadmap（产量 1.85 亿吨、能源和二氧化碳的份额、每吨氨的二氧化碳、约七成做化肥）
- IEA（2025）：Global Hydrogen Review 2025（低排放的氢不到 1%）
- 美国地质调查局（2026）：Mineral Commodity Summaries，Nitrogen (Fixed)—Ammonia（世界产量）
- 美国环保署 AP-42 §8.1（1993）：Synthetic Ammonia（冷到 0 °C 分离液氨、驰放）
- NIST Chemistry WebBook：氨、氮、氢的热化学数据（Shomate 方程）和临界常数
- CRC Handbook of Chemistry and Physics 第 81 版（经 WebElements 转载）：N≡N 键能 945 千焦每摩尔
- NOAA：The Atmosphere（干空气中氮气 78.084%）
- A. Araújo、S. Skogestad（2008）：Control structure design for the ammonia synthesis process，Computers & Chemical Engineering 32, 2920（本页的速率式）
- 美国专利 US 7,867,465 B2（2011）：进气流过外壳和内筒之间的夹层，冷却承压外壳
- 诺贝尔奖官网：卡尔·博施和弗里茨·哈伯的传记（1908 年 BASF 买下工艺、奥堡和洛伊纳、一战）
数据
The equilibrium is computed from the NIST Chemistry WebBook’s thermochemical data (Shomate equations from the NIST-JANAF tables, M. W. Chase, 1998) and critical constants, with the Peng–Robinson equation of state; the relative rate uses the Temkin–Pyzhev expression with the constants of A. Araújo and S. Skogestad (Computers & Chemical Engineering 32, 2920, 2008). Haber’s own equilibrium table (Nobel lecture, 1920) is the check. Plant conditions are from the EU’s Best Available Techniques reference document for ammonia, acids and fertilisers (2007) and M. Appl, “The Haber-Bosch Heritage” (IFA, 1997); the history from the Nobel lectures of F. Haber (1920), C. Bosch (1932) and G. Ertl (2007) and V. Smil (Nature 400, 415, 1999); the flows and totals from D. Fowler et al. (2013), J. W. Erisman et al. (2008), the IEA (2021, 2025) and the USGS (2026). The converter, the loop and the specimen are a model of the principle, not any one plant or maker’s design. Material presets, parts and the softbox studio of the site’s model kit are ported from AirsupHQ/machine-skill (MIT, © 2026 Air Supply Technologies Inc.).
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引用这幅图版
拉普拉斯的迷你世界，图版 54《从空气里取氮》，https://world.lapla.si/zh/haber/，CC BY-NC 4.0，2026-10-28 更新。
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