[オストワルト法]は硝酸の工業的製法

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つであるオストワルト法は硝酸$\mrm{HNO_3}$の製法で，主な原料はアンモニア$\mrm{NH_3}$です．

なお，アンモニア$\mrm{NH_3}$はハーバー・ボッシュ法で作ることができるのは押さえておきたいですね．

オストワルト法は

アンモニア$\mrm{NH_3}$
↓
一酸化窒素$\mrm{NO}$
↓
二酸化窒素$\mrm{NO_2}$
↓
硝酸$\mrm{HNO_3}$

という流れで硝酸$\mrm{HNO_3}$をつくります．

また，アンモニア$\mrm{NH_3}$を酸化させるときは高温にしなければならないのも，地味なポイントですが覚えておきたいところです．

なお，せいぜいガスバーナー程度しか使わない「実験室的製法」に対して，「工業的製法」はビジネス用の製法で最も利益の上がるように物質を作るのが目標です．そのため，「無駄なく，安くを目指した製法」のことをいい，ガンガン圧力をかけたり，高温にすることができるのも特徴です．

「工業的製法」の一連の記事はこちら

【工業的製法１｜オストワルト法はアンモニアから硝酸へ】←今の記事
【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！】
【工業的製法３｜接触法は濃硫酸の製法！３ステップで理解しよう】
【工業的製法４｜アンモニアソーダ法の２つのポイント】
【工業的製法５｜クメン法は３ステップでOK】

1 オストワルト法の流れ
2 注意点
- 2.1 一酸化窒素NOを作るときに高温にする理由
- 2.2 一酸化窒素NOの再利用

オストワルト法の流れ

[オストワルト法]は硝酸$\mrm{HNO_3}$の製法で，主な原料はアンモニア$\mrm{NH_3}$です．

必要なものは

アンモニア$\mrm{NH_3}$
酸素$\mrm{O_2}$
水$\mrm{H_2O}$

で，流れは

アンモニア$\mrm{NH_3}$を酸化させて，一酸化窒素$\mrm{NO}$
一酸化窒素$\mrm{NO}$を酸化させて，二酸化窒素$\mrm{NO_2}$
$\mrm{NO_2}$を水に溶かして硝酸$\mrm{HNO_3}$

という３ステップです．

一酸化窒素NOをつくる

アンモニア$\mrm{NH_3}$と酸素$\mrm{O_2}$を800℃の白金触媒に触れさせることで，次の反応が起こります．

$\begin{align*} \mrm{4NH_3 + 5O_2 \to 4NO + 6H_2O} \end{align*}$

ここで，800℃と非常に高温にできるあたり，「実験室的製法」でなく「工業的製法」な感じが出ていますね．

二酸化窒素NO₂をつくる

一酸化窒素$\mrm{NO}$は140度以下で空気中の酸素$\mrm{O_2}$と容易に反応して，次の反応が起こります．

$\begin{align*} \mrm{2NO + O_2 \to 2NO_2} \end{align*}$

硝酸HNO₃をつくる

二酸化窒素$\mrm{NO_2}$は水によく溶けます．

こうしてできた水溶液の正体が硝酸$\mrm{HNO_3}$で，反応は次のようになっています．

$\begin{align*} \mrm{3NO_2 + H_2O \to 2HNO_3 + NO} \end{align*}$

注意点

「オストワルト法」での注意点は次の２つです．

一酸化窒素$\mrm{NO}$を作るときに高温にする理由
最後に出てきた一酸化窒素$\mrm{NO}$の処理

１は一酸化窒素$\mrm{NO}$が低温下では簡単に分解してしまうことがポイントで，２は「オストワルト法」が「工業的製法」であることがポイントです．

一酸化窒素NOを作るときに高温にする理由

一酸化窒素$\mrm{NO}$を作るとき，「アンモニア$\mrm{NH_3}$と酸素$\mrm{O_2}$を１で800℃の白金触媒に触れさせる」と書きました．

このように温度を高くしなければならないのは，一酸化窒素$\mrm{NO}$に関する反応

$\begin{align*} \mrm{N_2 + O_2 \to 2NO} \end{align*}$

が吸熱であることが理由です．このことから，逆反応が起こればそれは発熱反応ということになります．

詳しく書くと，逆反応が発熱反応なので，低温なら温度を上げようとして平衡が左に移動してしまい(ルシャトリエの原理)，生成した一酸化窒素$\mrm{NO}$が分解してしまうためです．

【次の記事：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！】

アンモニア$\mrm{NH_3}$は現代の様々な場面で利用される物質で，もはや現代の生活に欠かせない物質です．アンモニアの工業的製法といえば[ハーバー・ボッシュ法]ですが，この製法の説明をするためには「ルシャトリエの原理」が必要です．「ルシャトリエの原理」は高校化学においては地味ですが，正しく理解すれば非常に汎用性のある考え方です．

工業的製法では，1000℃近い高温を保つこともできます．

他の工業的製法でも，高温，高圧にする場面はよくあるので，工業的製法の特徴と言えるでしょう．

一酸化窒素NOの再利用

「工業的製法」は「無駄なく安く」が基本でした．

最後の反応

$\begin{align*} \mrm{3NO_2 + H_2O \to 2HNO_3 + NO} \end{align*}$

で出てきた一酸化窒素$\mrm{NO}$をこのまま棄てるのは「無駄」が出てしまうことになり，良くありません．

そこで，「最後に出てきた」一酸化窒素$\mrm{NO}$を「最初に作った」一酸化窒素$\mrm{NO}$に混ぜて「再利用」します．

こうすることで無駄が減り，経済的な製法になります．

オストワルト法に限らず，工業的製法では「再利用」がよく行われます．工業的製法を考えるときには，どのような「営業努力」が行われているのかを考えると少し面白いかもしれません．