ハーバー・ボッシュ法の反応条件

アンモニア合成で高圧にする理由（平衡の移動）、温度を低くしすぎない理由（反応速度との兼ね合い）、触媒（鉄を主成分とする）を使う理由を、平衡と反応速度の関係から判定できる

前提

温度・触媒と平衡の移動（高校化学化学平衡（知識））
温度と反応速度（分子のエネルギー分布）（高校化学反応速度（知識））

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温度・触媒と平衡の移動（高校化学化学平衡（知識））
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温度と反応速度（分子のエネルギー分布）（高校化学反応速度（知識））

説明

アンモニアは、窒素と水素から $N_{2} + 3 H_{2} \to 2N H_{3}$ $Δ H = - 92 kJ$ （物質はすべて気体）の反応で工業的につくられます。この方法をハーバー・ボッシュ法といい、高い圧力（およそ $1 0^{7} Pa$ 程度）、400〜600℃程度の温度、鉄を主成分とする触媒という条件で行われます。この技能では、それぞれの条件を選ぶ理由を「平衡の移動（どれだけ $N H_{3}$ ができるか）」と「反応速度（どれだけ速くできるか）」の 2 つの観点に分けて説明し、選択肢の正誤を判定できるようにします。

なぜそうしてよいのか

工業的な製法では、「平衡状態で $N H_{3}$ の割合が大きいこと」と「平衡に速く達すること（反応が速いこと）」の両方が大切です。この 2 つは別の観点なので、条件ごとにどちらに効くのかを分けて考えます。

圧力: 左辺の気体の係数の和は $1 + 3 = 4$ 、右辺は $2$ です。圧力を高くすると、ルシャトリエの原理により気体分子の総数が減る向き、つまり右へ平衡が移動し、 $N H_{3}$ の割合が大きくなります。さらに、圧力が高いと気体の濃度が大きくなるので、反応速度も大きくなります。高圧は平衡と速度の両方に有利です（ただし高圧に耐える装置には費用がかかるので、際限なく高くはしません）。

温度: 正反応は発熱反応（ $Δ H < 0$ ）なので、平衡だけを考えると温度は低いほど右へ移動し、 $N H_{3}$ の割合は大きくなります。しかし温度を下げると、活性化エネルギー以上のエネルギーをもつ分子の割合が大きく減り、反応速度が非常に小さくなって、平衡に達するまでに長い時間がかかってしまいます。そこで、平衡の上ではやや不利でも、反応が十分速く進む程度の高めの温度（400〜600℃程度）を選びます。これが「温度を低くしすぎない理由」で、平衡と速度の兼ね合いです。

触媒: 鉄を主成分とする触媒（四酸化三鉄 $F e_{3} O_{4}$ を主成分とするもの）は、活性化エネルギーを小さくして反応速度を大きくし、比較的低めの温度でも速く平衡に達するようにします。触媒は平衡を移動させないので、 $N H_{3}$ の平衡での割合そのものは増やしません。触媒の役割は「速く平衡に達するようにする」ことで、その結果、温度を必要以上に上げずに済みます。

手順

反応式 $N_{2} + 3 H_{2} ⇄ 2N H_{3}$ （すべて気体）と $Δ H < 0$ から、気体の係数の和（左 4、右 2）と正反応が発熱であることを確認する
選択肢が述べている条件（圧力・温度・触媒）と、その理由が「平衡の移動」「反応速度」のどちらについての話かを見分ける
圧力: 高圧にすると係数の和が小さい右へ平衡が移動し、 $N H_{3}$ の割合が増える（濃度が大きくなり速度も上がる）と判定する
温度: 平衡だけなら低温が有利だが、低温では反応速度が小さすぎるので、低くしすぎないと判定する。温度を上げると平衡は左へ移動する
触媒: 反応速度を大きくして平衡に早く達するようにするが、平衡は移動させない（ $N H_{3}$ の平衡での割合を変えない）と判定する

例題

ハーバー・ボッシュ法では、次の反応によりアンモニアを合成する。ただし、物質はすべて気体である。
$N_{2} + 3 H_{2} \to 2N H_{3} Δ H = - 92 kJ$
この方法の反応条件についての記述として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

ア　温度を高くするのは、平衡を右に移動させてアンモニアの割合を大きくするためである。
イ　鉄を主成分とする触媒を用いるのは、平衡を右に移動させてアンモニアの割合を大きくするためである。
ウ　圧力を高くするのは、気体分子の総数が減少する向きに平衡を移動させて、アンモニアの割合を大きくするためである。
エ　温度を低くするほど反応速度も大きくなるので、温度はできるだけ低くするのがよい。

例題の解答

手順1: 気体の係数の和は左辺 $1 + 3 = 4$ 、右辺 $2$ 。 $Δ H = - 92 kJ < 0$ なので正反応は発熱反応である。

手順2: アは温度と平衡、イは触媒と平衡、ウは圧力と平衡、エは温度と反応速度について述べている。

手順3: 圧力を高くすると、気体の係数の和が小さい右へ平衡が移動し、 $N H_{3}$ の割合が大きくなる。ウは正しい。

手順4: 正反応は発熱なので、温度を高くすると平衡は左へ移動し $N H_{3}$ の割合は小さくなる。高温にするのは反応速度を大きくするためである。アは誤り。また、温度を低くすると反応速度は小さくなるので、エも誤り。

手順5: 触媒は反応速度を大きくするが、平衡は移動させない。イは誤り。

よって正しいものはウ。

答え:

ウ

よくある誤り

温度を高めにするのは平衡を右へ移動させて $N H_{3}$ を増やすため、としてしまう誤り。正反応は $Δ H = - 92 kJ < 0$ の発熱反応なので、温度を上げると平衡は左へ移動し $N H_{3}$ の割合は減る。正しくは、低温では反応速度が小さすぎるので、速度を確保するために温度を低くしすぎない
触媒を使うと平衡が右へ移動し $N H_{3}$ の割合が増える、としてしまう誤り。正しくは、触媒は正反応・逆反応の活性化エネルギーをどちらも下げて平衡に早く達するようにするだけで、平衡での $N H_{3}$ の割合は変えない
平衡の上で有利な条件と、反応速度の上で有利な条件が常に一致すると考えてしまう誤り。圧力は高圧が平衡（係数の和 $4 \to 2$ で右へ）と速度の両方に有利だが、温度は平衡には低温、速度には高温が有利で、両者の兼ね合いで決める
圧力を高くすると $N H_{3}$ が増える理由を、反応速度が大きくなるからだけで説明してしまう誤り。正しくは、平衡の上でも、左辺（気体の係数の和 4）より右辺（2）のほうが分子の総数が少ないので、高圧にすると平衡が右へ移動し、平衡での $N H_{3}$ の割合そのものが大きくなる

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
工業的にアンモニアをつくるハーバー・ボッシュ法では、次の発熱反応を利用する（ $(g)$ は気体を表す）。
$N_{2} (g) + 3 H_{2} (g) ⇄ 2 N H_{3} (g) Δ H = - 92 kJ$
この方法では、鉄を主成分とする触媒を用い、高い圧力のもとで、およそ $400 \sim 600^{\circ} C$ の温度で反応させる。温度をこれより低くしない理由として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア　温度を高くすると、平衡が右に移動してアンモニアの割合が大きくなるから。
- イ　温度を高くすると、この反応の平衡定数が大きくなるから。
- ウ　温度を高くすると、触媒を使わなくても平衡の位置が右にかたよるから。
- エ　温度を低くすると、反応速度が小さくなり、平衡に達するまでに長い時間がかかるから。

この技能を使う問題

難易度 4（国公立二次の標準レベル）
工業的にアンモニアを製造するハーバー・ボッシュ法では、次の可逆反応を利用する。物質はすべて気体であり、右向きの反応（正反応）は発熱反応である。
$N_{2} + 3 H_{2} ⇄ 2 N H_{3}$
ハーバー・ボッシュ法の反応条件と、平衡・反応速度の関係についての記述として正しいものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
- ア　平衡だけを考えると低温ほどアンモニアの割合が大きくなるので、工業的には室温付近のできるだけ低い温度で反応させている。
- イ　四酸化三鉄を主成分とする触媒を用いると、平衡に達するまでの時間が短くなり、平衡に達したときのアンモニアの割合も大きくなる。
- ウ　温度を一定に保って圧力を高くすると、気体分子の総数が減少する向きに平衡が移動するので、平衡に達したときのアンモニアの割合が大きくなる。
- エ　圧力を一定に保って温度を高くすると、反応速度が大きくなり、平衡に達したときのアンモニアの割合も大きくなる。
- オ　反応後の混合気体を冷却して、生じたアンモニアを液体として取り除くと、平衡は左向きに移動する。

この技能の次に学べること

無機物質の工業的製法（高校化学無機物質（知識））