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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.

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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}
  • \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.

\begin{align*} \ce{4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O} \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\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.

\begin{align*} \ce{2NO + O2 -> 2NO2} \end{align*}

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.

\begin{align*} \ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO} \end{align*}

アンモニア\ce{NH3}から

  1. 一酸化窒素\ce{NO}
  2. 二酸化窒素\ce{NO2}
  3. 硝酸\ce{HNO3}

と変化させるのが「オストワルト法」である.

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

\begin{align*} \ce{N2 + O2 -> 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\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.

低温下で反応させようとすると,[ルシャトリエの原理]から温度を上げようとする.よって,発熱反応である逆反応が起こり,反応が進まなくなってしまう.

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*} \ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO} \end{align*}

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.

最後の反応で生成する一酸化窒素\ce{NO}は再利用する.

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