大学 · 20分
ハーバー・ボッシュ法：空気からのアンモニア
と を圧縮して鉄触媒上を通し、アンモニアを凝縮させ、未反応ガスを循環する。
目的
圧力・温度・触媒・循環がどう協働して工業規模の窒素固定を実現するかを説明する。
器具と試薬
仮想合成ループ：/ 供給、圧縮機、助剤入り鉄触媒床、凝縮器、循環。
手順
- ガスの流れに沿って5ユニットを名づける：供給、圧縮、反応器、凝縮、循環。
- （）にルシャトリエを適用：なぜ高圧か、なぜ温度は最低でなく適度なのか？
- 循環を追う：1パスで転化率が約15 %のとき、未反応の / はどうなる？
- なぜループから を凝縮させることが生成物の回収と平衡の前進の両方になるかを考察する。
観察すること
- 平衡 は発熱し気体の体積を減らす——だから高圧・適温が選ばれる。
- 1パスの転化率が限られるため、分離・循環段階が未反応ガスを戻す——無駄がない。
解説
アンモニア合成は発熱・モル減少の平衡であり、気体4 mol が2 mol になる。高圧（約200 bar）は生成物に有利だが、温度を下げすぎると速度が落ちるため、助剤入り鉄触媒上で約450 °C が工業的な妥協点。NH₃ を凝縮して取り出し原料を循環させることで、全体の転化率は1パスの値を大きく上回る——肥料を通じて世界を養う反応工学の傑作。
ゆかりの化学者
バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。