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！

高校化学では，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$\ce{H2}$と窒素$\ce{N2}$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ります．

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」が深く関わっており，[ハーバー・ボッシュ法]を理解するためには「ルシャトリエの原理」を理解することが重要です．

この記事では，「ルシャトリエの原理」から[ハーバー・ボッシュ法]について詳しく説明しています．

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$\ce{NH3}$の製法で，主な原料は

• 水素$\ce{H2}$
• 窒素$\ce{N2}$

です．

反応は非常にシンプルで次の通りです．

このとき，触媒として四酸化三鉄$\ce{Fe3O4}$を用います．

単純に，水素$\ce{H2}$と窒素$\ce{N2}$を無理やりくっつけ，アンモニア$\ce{NH3}$を作ろうという発想ですね．

しかし，実際に窒素と水素を混ぜるだけではこの反応は起こらず，低温高圧の状況下で初めてこの反応が起こり，このことは以下で説明する「ルシャトリエの原理」が本質になっています．

なお，ここでの低温は200℃程度，高温は700℃程度を想定しています．

ルシャトリエの原理とハーバー・ボッシュ法

[ルシャトリエの原理]は次のように説明されます．

ことです．要するに，

1. 温度が上がる(下がる)と，温度が下がる(上がる)ように反応が進む
2. 圧力が上がる(下がる)と，圧力が下がる(上がる)ように反応が進む
3. 濃度が上がる(下がる)と，温度が下がる(上がる)ように反応が進む

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」では圧力と温度を変化させることで，反応

が右に進むようにしたいわけです．

圧力について

左辺$\ce{3H2 + N2}$は窒素$\ce{N2}$が３個，水素$\ce{H2}$が１個の合わせて４個です．一方，右辺$\ce{2NH3}$はアンモニア$\ce{NH3}$が２個です．

いまは平衡を右に進めたいわけですが，

• 左辺の分子数は４個
• 右辺の分子数は２個

なので，[ルシャトリエの原理]を考えれば，圧力を加えると圧力を下げようとしてできるだけ分子の数を減らそうとして，平衡が右に進みますね．

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とよいことになります．

温度について

次に，反応$\ce{3H2 + N2 -> 2NH3}$は発熱反応であることに注目しましょう．

つまり，この反応は右に進めば発熱するということですから，発熱する状況を作れば良いことになります．

[ルシャトリエの原理]を考えれば，温度を下げれば温度を上げようとこの平衡が右に進みます．

まとめると，次のようになります．

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しょう．

単に平衡に達したときのアンモニア$\ce{NH3}$の量は多いのは低温の場合ですが，問題は平衡に達するまでに時間がかかる点です．

一方，高温にすると平衡に達したときのアンモニア$\ce{NH3}$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ています．

なお，上でも書きましたが，低温でも200℃程度を想定しており，高温では700℃程度を考えていることに注意して下さい．

[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．