合成氨气（NH3）是工业上最重要的化学过程之一，其化学方程式为 N2 + 3H2 → 2NH3。这个反应是哈伯-博施法的基础，对现代农业和化工产业具有举足轻重的地位。
首先，从方程式可以看出，反应物是氮气（N2）和氢气（H2）。氮气主要来自空气，通过分离液态空气制得；氢气通常由天然气（主要成分是甲烷）在高温高压下与水蒸气反应制得，即蒸汽重整反应：CH4 + H2O → CO + 3H2。这一步是合成氨的关键前驱步骤。
在合成氨反应中，氮气和氢气的摩尔比为 1:3。这意味着每 1 摩尔的氮气需要 3 摩尔的氢气才能完全反应生成 2 摩尔的氨气。这个反应是一个放热反应，反应热为 -92 kJ/mol，即每生成 2 摩尔氨气释放 92 千焦耳的能量。
工业上，该反应通常在高温（约 850°C）、高压（约 200-300 个大气压）和催化剂（通常是铁基催化剂）的条件下进行。高温有利于提高反应速率，但会降低氨的产率；高压有利于提高氨的产率，但会增加设备成本和能耗。催化剂的作用是降低反应的活化能，使反应在相对较低的温度下也能快速进行。
然而，该反应是可逆反应，根据勒夏特列原理，可以通过改变反应条件来提高氨的产率。例如，通过及时移走生成的氨气，可以使平衡向生成氨气的方向移动。此外，原料气的循环利用也是提高氨产率的重要手段。
总之，合成氨气的化学方程式 N2 + 3H2 → 2NH3 揭示了这一重要工业过程的化学反应本质。通过深入理解反应机理、优化反应条件以及采用高效的催化剂，可以显著提高氨的产率和经济效益，为社会发展和农业生产提供重要支持。