氨，一种由哪些元素构成的无机化合物呢？答案就是氢和氮。氨水中的氮与氢的比例恰如1:3，其分子式简洁地表达为NH3。
氨的合成，其实就是一个自然的过程，涉及氢气和氮气的结合，产出的主要用途广泛，大部分被用作肥料，偶尔也会用于其他如制造炸等用途。这一工艺的革新发展，可追溯至20世纪初的德国。
在大气中，虽然氮气占主导地位，但它并不活跃，不易与其他元素结合。制取氨的基本策略，即NH3的获得，通常在高温高压的环境下进行，将氢气H2和氮气N2结合在一起。这一化学反应从化学角度看颇具挑战性，因此需要一种催化剂来加速这个过程。
在20世纪初，德国人成功研发了氨合成技术。这其中，催化剂的作用不可忽视，常用的氨合成催化剂多为铁质，特别是还原磁铁矿。
在适宜的温度（约400°C）和压力（虽略高于最佳反应压力，但出于安全考虑常维持在200个大气压左右）条件下，氨的产率大约在10%至20%之间。当混合物离开反应器时，它会经过冷却处理，这样氨便凝结成液体形态。而过程中释放的热量则获并重新利用来加热进入的气体。
这种氨合成方法被称作哈伯法，由德国化学家弗里茨·哈伯发明。他在含氮化肥短缺的时代背景下研制出了此法，尤其是在第一次世界大战期间为制造炸提供了技术支持。如今，全球范围内都在大规模地进行氨的生产。
谈及制取反应所需的氢气来源，除了哈伯法中与氮气结合的氢气外，还有通过电解水获取的方法。电解是利用电流分解化合物的过程，在此过程中水被分解为氢气和氧气。
除了电解水，还有一些微生物能够利用空气中的氮气来生产氨。这个过程被称为固氮作用。它们利用称为固氮酶的复合酶作为催化剂。这些细菌常常生活在如豌豆等豆科植物的根部，对改善土壤养分状况起着重要作用。
回到氨的分子构成，我们可以发现它是由三个氢原子和一个氮原子组成。那么问题来了，氢分子是如何被分离并得到的呢？传统上主要有两种制氢方法：电解水和甲烷与蒸汽的反应。
电解水的详细过程
在聚合物电解质膜电解槽（PEM）中，水在阳极被分解为质子和氧，质子到达阴极并与通过外部电路传递来的电子结合，形成氢气。这种方法的优点在于主要材料水丰富且便宜，产生的氢气纯净且质子选择性高（氧不会到达阴极）。它也存在一些缺点，如电解厂产生的废水量大和电厂能耗大。
甲烷与蒸汽反应的解析
此法是将甲烷与温度在700至1000度的热水蒸汽反应得到所需的一氧化碳和氢气。此过程在高温高压下进行且需要大量的热量。一氧化碳随后与水蒸气在催化剂作用下反应生成更多的氢气。
在甲烷与蒸汽的反应中，产物混合物会经过一个称为变压吸附的过程来分离出氢气。此法的优点是氢气产率高且能重新利用一氧化碳制造更多氢气。然而其缺点在于吸热反应需要大量能量、过程条件极端且昂贵、以及需要使用昂贵的催化剂。
关于氮的来源
氮是氨中的重要元素之一。它可以通过液态空气分馏或甲烷与空气的反应来获取。
液态空气分馏的简述
此法先过滤掉压缩空气中的所有气体（除氮气和氧气外），然后通过降低温度使混合物液化。由于氮的沸点低于氧，液氮通过分馏从液态空气混合物中分离出来。
甲烷与空气反应的解释