>> 自然の科学 >  >> 化学

ハーバープロセス

コア コンセプト

この記事では、ハーバー プロセスとその重要性、およびその速度論、熱力学、メカニズムについて学びます。

ハーバー プロセスとは?

ハーバープロセスは、窒素と水素ガスを反応させてアンモニアを生成する工業的方法です。化学量論的に、これには、アンモニア 2 モルあたり 1 モルの二原子窒素と 3 モルの二原子水素が含まれます。

ハーバー過程方程式:N2 + 3H2 → 2NH3

多くの化学者は、ハーバープロセスを「窒素固定」の一形態と呼んでいます。これは、窒素ガスをより化学的に有用な形態に変換することを意味します。自然界では、ジアゾトロフと呼ばれる微生物が窒素固定を行い、生態系を通じて窒素を循環させるのに役立ちます。もちろん、窒素は生物学的生命の基本要素の 1 つとして機能し、タンパク質や核酸の重要な部分を形成します。

アンモニアの形態の窒素も、研究および産業用途において重要です。しかし、二原子窒素が最も豊富な大気ガスとして機能しているにもかかわらず、その反応性の欠如により、化学者が利用することは困難でした.

1909 年、ドイツの化学者フリッツ ハーバーは、大気中の窒素と水素からアンモニアを合成する方法を示し、科学の歴史に名を残しました。 1911 年後半、この方法は別のドイツの化学者カール・ボッシュによって大幅に改善され、産業にとって反応がより効率的になりました。その結果、現在実施されている場合、多くの人がこの方法をハーバー・ボッシュ法と呼んでいます。

ハーバーとボッシュの研究により、肥料、爆薬、冷凍技術、医薬品など、さまざまな重要な目的のためにアンモニアを容易に合成できるようになりました。

しかし、Haber プロセスが効率的である理由は何でしょうか?反応の背後にある物理化学を詳しく見てみましょう。

ハーバー プロセスの動力学

窒素ガスがそれほど不活性である場合、フリッツ ハーバーはどのようにして窒素ガスを反応させたのでしょうか?窒素の非反応性を克服するために、ハーバー プロセスには 2 つの重要な要素が含まれます。最初の要因は効果的な触媒です。

遷移金属は、ほとんどの場合、ハーバー プロセスを触媒するために使用されます。ほとんどの場合、工業化学者はマグネタイト、酸化鉄 (Fe3) を使用します。 O4 )、少量の水酸化カリウム (KOH) を含む。他の一般的な触媒には、クロムとオスミウムの酸化物が含まれます。

機構的に、触媒は窒素ガスに結合する必要があります。これにより、窒素が完全に飽和するまで水素が窒素結合に追加され、アンモニアが生成されます。触媒のこの重要な結合がなければ、窒素は不活性で非反応性のままであり、実質的にアンモニアを生成しません.

窒素を反応させる第 2 の要因は、圧力に関係しています。具体的には、圧力が高いほど分子の衝突が多くなり、反応速度が速くなります。その結果、産業界はハーバー プロセスを可能な限り高い圧力で実行する傾向があり、多くの場合 200 気圧を超えます。

ハーバー プロセスの熱力学

触媒の有無にかかわらず、アンモニアを生成する反応は自然発生的です (ΔG <0)。これは、物理化学の基本的な側面によるものです。反応の速度論と熱力学は、多くの場合、互いに独立したままです。熱力学的に非常に有利な反応が、不利な反応よりも速く起こることは直観的にわかるかもしれませんが、例外が存在します。ハーバー プロセスはそのような例外の 1 つです。好ましい熱力学を伴う反応ですが、反応速度は信じられないほど遅いです。

自発性とは別に、反応のエントロピーが負の変化を示すことも観察できます (ΔS <0)。具体的には、4 モルの反応ガスが 2 モルの生成ガスを生成することがわかります。

N2 + 3H2 → 2NH3

ガスのモル数の減少は、私たちのシステムで考えられるマイクロステートが少なく、エントロピーが減少していることを示しています。また、ガス分子が少ないほど「障害」が増えるということで、マイナスの変化を正当化することもできます。

エントロピーが減少しても反応が自発的であるためには、反応のエンタルピーが減少している必要があります。これは実際に当てはまります。ハーバー過程は発熱性です (ΔH <0)。ギブスの自由エネルギーの定義によると、自発性は温度が低下するにつれて増加する必要があります。別の言い方をすれば、温度が下がると ΔS の重要性が低くなり、ΔG がより負になります:

ΔG =ΔH – TΔS

(この式では、T 反応が起こる温度を示します)

これは、次のセクションで観察するように、ハーバー プロセスを実行する理想的な温度に重要な意味を持ちます。

ハーバー過程の平衡特性

先ほど説明したように、ハーバー プロセスは発熱性であり、低温では自発性が高まります。この情報を使用して、化学者は温度を下げることで反応の収率を高めることができます。この現象の説明には、化学平衡の原理が関係しています。

発熱性により、熱は反応の「生成物」として機能すると言えます。 L'Chatelier の原理によると、システムにストレスをかけることで、反応混合物の平衡を変えることができます。次に反応は、ストレスに対抗する方向に反応します。混合物を冷却することで熱を「除去」し、システムはより多くの製品を生産することでこのストレスに対抗します。したがって、低温下ではより多くのアンモニアが得られます。

ただし、温度を下げすぎると、分子がそれほど速く動かなくなるため、反応速度が低下します。妥協するために、工業化学者は通常、ハーバー プロセスの反応温度を 450 ~ 500°C に設定します。

ハーバー プロセス全体

物理化学について理解できたので、プロセス全体を見てみましょう。

お気づきかもしれませんが、二水素ガスがシステムに直接入力されていないことです。代わりに、メタン (1) と水 (2) が反応して、システム (3) 内で水素が生成されます。その後、酸素と窒素ガスがシステムに入り (4)、さらにメタンから水素が生成されます (5)。どちらの反応でも、副産物として一酸化炭素が生成されます。

さらに水蒸気がシステムに入り、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化します (6)。次に、この二酸化炭素が (8) を離れ、窒素と水素ガスの混合物が生成されます。

このガス混合物は 200 気圧以上に圧縮され (7)、約 500°C に予熱されます (9)。次いで、加熱および加圧された混合物は、遷移金属触媒(10)が取り付けられた反応チャンバーに入る。一定量のアンモニアが生成され、反応混合物に冷水ジャケットを通すことによって蒸留されます (11)。これにより、アンモニアガスが液体に凝縮され、システムから排出されます (13)。

重要なことに、最初の実行では、窒素と水素の約 15% しか反応しません。未反応ガスは液体アンモニア(12)から分離し、再び反応チャンバに入る。最終的に、元のガス混合物の約 98% が反応して、十分に実行した後にアンモニアを形成します。


  1. 均質と等方性の違い
  2. 真の解決策
  3. 化学結合における共鳴
  4. ゲル電気泳動とは?どのように、そしてなぜ役立つのか?
  5. 添加剤と混和剤の違い
  6. ヴェルナー理論の公準