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.

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

  1. アンモニア$\mrm{NH_3}$を酸化させて,一酸化窒素$\mrm{NO}$
  2. 一酸化窒素$\mrm{NO}$を酸化させて,二酸化窒素$\mrm{NO_2}$
  3. $\mrm{NO_2}$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.

  1. 一酸化窒素$\mrm{NO}$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$\mrm{NO}$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.

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.

最後までありがとうございました!

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