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 $\mrm{HNO_3}$ 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．

【工業的製法１｜オストワルト法はアンモニアから硝酸へ】
【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】

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つくりたいので，「無駄なく，安くを目指した製法」のことをいいます．また，「工業的」ですから，ガンガン圧力をかけたり，高温にすることができます．

これら５つの工業的製法は高校化学で学ぶ工業的製法の中でも，特に重要度が高く，いずれも試験では頻出です．

【SPONSORED LINK】

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．

$\mrm{4NH_3 + 5O_2 \to 4NO + 6H_2O}$

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．

$\mrm{2NO + O_2 \to 2NO_2}$

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．

$\mrm{3NO_2 + H_2O \to 2HNO_3 + NO}$

アンモニア $\mrm{NH_3}$ から

一酸化窒素 $\mrm{NO}$
二酸化窒素 $\mrm{NO_2}$
硝酸 $\mrm{HNO_3}$

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．

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 $\mathrm{NO}$ 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

$\mrm{N_2 + O_2 \to 2NO}$

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．

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

$\mrm{3NO_2 + H_2O \to 2HNO_3 + NO}$

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．

最後の反応で生成する一酸化窒素 $\mrm{NO}$ は再利用する．

【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！】

ハーバー・ボッシュ法の歴史は古いですが，実は最近でもノーベル賞級の研究があるほど，最先端の研究対象でもあります．高校化学でのハーバー・ボッシュ法は，主に「ルシャトリエの原理」から説明されていますね．「ルシャトリエの原理」は化学において大切な考え方ですから，しっかり理解してください．