工業的製法１｜オストワルト法はアンモニアから硝酸へ

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[オストワルト法]は硝酸$\ce{HNO3}$の製法で，主な原料はアンモニア$\ce{NH3}$です．

なお，アンモニア$\ce{NH3}$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$\ce{NH3}$
↓
一酸化窒素$\ce{NO}$
↓
二酸化窒素$\ce{NO2}$
↓
硝酸$\ce{HNO3}$

という流れで硝酸$\ce{HNO3}$をつくります．

また，アンモニア$\ce{NH3}$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．

オストワルト法の流れ

[オストワルト法]は硝酸$\ce{HNO3}$の製法で，主な原料はアンモニア$\ce{NH3}$です．

必要なものは

• アンモニア$\ce{NH3}$
• 酸素$\ce{O2}$
• 水$\ce{H2O}$

で，流れは

1. アンモニア$\ce{NH3}$を酸化させて，一酸化窒素$\ce{NO}$
2. 一酸化窒素$\ce{NO}$を酸化させて，二酸化窒素$\ce{NO2}$
3. $\ce{NO2}$を水に溶かして硝酸$\ce{HNO3}$

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$\ce{NH3}$と酸素$\ce{O2}$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．

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$\ce{NO}$は140度以下で空気中の酸素$\ce{O2}$と容易に反応して，次の反応が起こります．

硝酸HNO₃をつくる

二酸化窒素$\ce{NO2}$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$\ce{HNO3}$で，反応は次のようになっています．

注意点

「オストワルト法」での注意点は次の２つです．

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

１は一酸化窒素$\ce{NO}$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$\ce{NO}$を作るとき，「アンモニア$\ce{NH3}$と酸素$\ce{O2}$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$\ce{NO}$に関する反応

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$\ce{NO}$が分解してしまうためです．

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

で出てきた一酸化窒素$\ce{NO}$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$\ce{NO}$を「最初に作った」一酸化窒素$\ce{NO}$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．