ハーバー法(ハーバー・ボッシュ法)の原理・反応式・高温高圧下の理由など

目次

はじめに

【プロ講師解説】このページでは『ハーバー法(ハーバー・ボッシュ法)の原理・反応式・高温高圧下の理由など』について解説しています。


ハーバー法(ハーバー・ボッシュ法)

  • 窒素N2は非常に安定しており、ほとんど化合物を作らないことで有名である。
  • 窒素元素は肥料の三要素の1つであり、固定化して植物に与える必要があったため、研究者は苦難していた。そんな中、20世紀の初め頃、ドイツのフリッツ・ハーバーとカール・ボッシュによってアンモニアNH3の製法であるハーバー法(ハーバー・ボッシュ法)が開発された。
  • この方法では、四酸化三鉄Fe3O4を触媒に用い、高温高圧下で次の反応を進める。

\[ \mathrm{N_{2}+3H_{2} \overset{触媒(Fe_{3}O_{4})}{→} 2NH_{3}} \]


ハーバー・ボッシュ法を高圧下で行う理由

  • ハーバー・ボッシュ法を高圧下で行うのは、平衡時のアンモニアNH3の吸収率を上げるためである。
  • 先述のように、ハーバー・ボッシュ法の反応式は次の通りである。

\[ \mathrm{N_{2}+3H_{2} \overset{触媒(Fe_{3}O_{4})}{→} 2NH_{3}} \]

  • この反応は可逆的反応であり、一定の条件下で平衡状態に達する。
  • 式の左右の気体分子数を比較すると、左>右である。したがって、ルシャトリエの原理より、高圧下では気体分子数が減少する方向、つまり右方向に反応が進む。
  • その結果、NH3を効率よく回収できる。

参考:可逆反応と不可逆反応


ハーバー・ボッシュ法を高温下で行う理由

  • ハーバー・ボッシュ法を行う際の温度は、2つの観点から考える必要がある。

反応速度

  • 一般に、温度を上げると反応速度が大きくなる(参考:反応速度が変化する要因)。
  • その結果、平衡状態に達するのがはやくなり、効率よくアンモニアNH3を回収できる。

ルシャトリエの原理

  • 一方、この反応は発熱反応である。

\[ \mathrm{N_{2}+3H_{2} \overset{触媒(Fe_{3}O_{4})}{→} 2NH_{3}\color{#dc143c}{ +92kJ }} \]

  • したがって、温度を下げると、ルシャトリエの原理により発熱方向に反応が進むため、効率よくNH3を回収できる。

結論

  • 2つの観点を総合的に考え、ハーバー・ボッシュ法は、中程度の温度(約500℃)で行う。
  • また、反応速度を大きくするため、触媒としてFe3O4を用いる。

【新課程対応】化学の計算ドリル大好評発売中!

高校化学・化学基礎の計算問題が苦手な人に向けた計算ドリルを発売しました。豊富な問題数で、入試頻出の計算問題の解き方を身につけることができます。

【新課程対応】無機化学ドリル発売中!

無機化学の知識を総ざらいできるオリジナル問題集ができました。解答・解説編には入試頻出事項が一通りまとめられており、まとめノート/参考書としての役割も果たします。

【新課程対応】有機化学ドリル発売中!

有機化学に関する入試頻出事項を演習することのできるオリジナル問題集が紙の本になりました。暗記項目だけではなく、計算問題や思考力が問われる問題についても触れています。

著者情報

元講師、薬剤師、イラストレーター
数百名の中高生向け指導経験あり(過去生徒合格実績:東工大・東北大・筑波大・千葉大・岡山大・早稲田大・慶應義塾大・東京理科大・上智大・明治大など)。
2014年よりwebメディア『化学のグルメ』を運営
公式オンラインストアで販売中の理論化学ドリルシリーズ・有機化学ドリル等を執筆
気に入ったらシェアしてね!
目次