問題:平衡
窒素(N2)および水素(H2)からアンモニア(NH3)を作るHaber-Boschプロセスは、可逆反応です。
n2(g) + 3h2(g)⇌2nh3(g)
これは、反応が両方向に進むことを意味します。アンモニアが形成されると、窒素と水素に戻って分解し始めます。 平衡状態では、前方反応と逆反応の速度が等しくなり、アンモニアの量がプラトーを生成しました。
解決策:Le Chatelierの原則
化学メーカーは le Chatelierの原則を使用しています 均衡を望ましい製品であるアンモニアにシフトする。この原則は、条件の変化が平衡状態のシステムに適用される場合、システムはストレスを緩和する方向にシフトすると述べています。
これがどのようにそれを行うかです:
* アンモニアの除去: 最も一般的な方法は、形成された反応混合物からアンモニアを連続的に除去することです。これにより、製品濃度が効果的に減少し、平衡が右に移動し(前方反応を好む)、より多くのアンモニアを生成します。
* 圧力の追加: Haber-Boschプロセスは、高圧(約200気圧)で発生します。 圧力の上昇は、ガスのモルが少ないという反応の側面を好みます。反応物側には4モルのガス(1 N2 + 3 H2)があり、製品側に2モルしかないため(2 NH3)、圧力が増加すると、アンモニア産生への平衡が変わります。
* 温度: 温度が低いと理論的にはアンモニア産生が有利になりますが、より低い温度では反応速度が非常に遅くなります。 したがって、妥協温度(約450〜550°C)が使用され、反応を加速するために触媒(カリウムや酸化アルミニウムなどのプロモーターを備えた鉄)が使用されます。
概要:
条件を操作し(製品の除去、圧力の増加、温度の最適化、触媒の使用)、化学メーカーは、ハーバーボッシュプロセスの平衡を効果的にシフトして大量のアンモニアを生成できます。