工業的製法２
ハーバー・ボッシュ法はルシャトリエの原理から！

高校化学で特に重要な工業的製法は５つあります．

そのうちの１つであるハーバー・ボッシュ法は水素$\mrm{H_2}$と窒素$\mrm{N_2}$を化合させるだけという非常にシンプルな工業的製法ですが，実は奥が深く最先端の研究としても扱われることがあるほどです．

また，ハーバー・ボッシュ法の反応の本質にはルシャトリエの原理が深く関わっているため，ハーバー・ボッシュ法はルシャトリエの原理を通して理解することが大切です．

この記事では

• ルシャトリエの原理
• ハーバー・ボッシュ法

を順に説明しています．

目次

1. おすすめ参考書
   1. 理系大学受験 化学の新研究(卜部吉庸 著）
2. ハーバー・ボッシュ法の反応
3. ルシャトリエの原理とハーバー・ボッシュ法
   1. ルシャトリエの原理
   2. 圧力と温度
   3. 実は低温にしすぎては効率が悪い

おすすめ参考書

理系大学受験 化学の新研究(卜部吉庸 著）

「この本で解けない高校化学の問題はない」と言ってよいほど高校化学を完全網羅した参考書です．

ハーバー・ボッシュ法の反応

ハーバー・ボッシュ法はアンモニア$\mrm{NH_3}$の製法で，主な原料は

• 水素$\mrm{H_2}$
• 窒素$\mrm{N_2}$

です．また，反応は非常にシンプルで

となっています．ただし，触媒として四酸化三鉄$\mrm{Fe_3O_4}$を用いています．

単純に水素$\mrm{H_2}$と窒素$\mrm{N_2}$を無理やりくっつけ，アンモニア$\mrm{NH_3}$を作ろうという発想ですね．

しかし，実際に水素$\mrm{H_2}$と窒素$\mrm{N_2}$を混ぜるだけではこの反応は起こりません．

そこで，この反応を進めるために大切なのがルシャトリエの原理です．

ルシャトリエの原理とハーバー・ボッシュ法

それではルシャトリエの原理とハーバー・ボッシュ法の関係を説明します．

ルシャトリエの原理

要するに

• 温度が上がると温度を下げる（温度が下がると温度を上げる）向きに反応が進む
• 圧力が上がると圧力を下げる（圧力が下がると圧力を上げる）向きに反応が進む
• 濃度が上がると濃度を下げる（濃度が下がると濃度を上げる）向きに反応が進む

というように，起こった変化と逆の変化を起こして元に戻そうとする原理のことをルシャトリエの原理といいます．

さて，ハーバー・ボッシュ法では反応

が右に進むようにしたいわけですが，どのように圧力と温度を変化させれば反応が進むようにできるでしょうか？

圧力と温度

ハーバー・ボッシュ法の反応

において，左辺は窒素$\mrm{N_2}$が３個，水素$\mrm{H_2}$が１個の合わせて４個です．一方，右辺はアンモニア$\mrm{NH_3}$が２個です．

一般に分子の個数が少ない方が分子がぶつかる回数が多くなり圧力が大きくなりますから，ハーバー・ボッシュ法では反応が右に進むほど圧力が下がることになりますね．

よって，圧力を加えることでルシャトリエの原理から圧力を下げようとする右向きに反応が進むことになります．

このため，ハーバー・ボッシュ法では高圧化で反応を進めるのが良いことになりますね．

また，ハーバー・ボッシュ法の反応が発熱反応であることに注目すると，ハーバー・ボッシュ法では反応が右に進むほど熱が発生するということになります．

よって，温度を下げることでルシャトリエの原理から温度を上げようとする右向きに反応が進むことになります．

以上をまとめると，次のようになりますね．

実は低温にしすぎては効率が悪い

少々発展的な内容ですが，実は低温にしすぎると効率が悪いことも説明しておきます．

上で説明したように，低音にするほど平衡に達したときのアンモニア$\mrm{NH_3}$の量は多くなります．しかし，低音にするほど平衡に達するまでに時間がかかります．

一方，高温にすると平衡に達したときのアンモニア$\mrm{NH_3}$の量は少ないのですが，平衡に達するまでが速いのです．

そこで，工業的にはその間の丁度いい温度をとって，収集率は若干劣るが反応がそこそこ速い約４００℃で反応を起こし，何度もこの操作を繰り返すことで効率を上げます．

ハーバー・ボッシュ法は他の工業的製法とは違って，いろんな物質を反応させて目的の物質を作るわけではなく，ルシャトリエの原理を利用しているだけですから，少々特殊な製法と言えるかもしれませんね．