ハーバー・ボッシュ法の条件(温度の二律背反・高圧・触媒は平衡を動かさない)

冷やせば、右へ寄る

アンモニアの合成は発熱反応です。右へ進むとき、熱が出ます。

そこで温度を下げます。出した熱が逃げていくぶんを補おうとして、つりあいは熱を出す向き、つまりアンモニアができる側へ寄ります。図では、冷やしたところで線が段になって動きます。

つりあいの位置だけを見れば、冷やすほど良いことになります。同じ量の窒素と水素から、より多くのアンモニアが取れるからです。

けれど、遅くなる

同じ冷やし方を、こんどは速さそのもので見ます。この場面では、帯の長さを測る物差しを条件をまたいで同じにしてあります。2 本の長さの比ではなく、速さの大きさそのものが読めます。

冷やすと、2 本ともまとめて短くなります。正反応も逆反応も遅くなるということです。温度は分子の動きの激しさなので、下げればぶつかる回数も、ぶつかったときに反応する割合も落ちます。

つまり冷やすと、着く先は良くなるのに、そこへ着くまでが遅くなります。工場では、何日も待って良い平衡へ着くよりも、少し悪い平衡へ早く着くほうが役に立ちます。

温めると、逆になる

温度を上げると、いま言ったことがそのまま裏返ります。つりあいは熱を吸う側、つまり窒素と水素の側へ戻り、アンモニアは減ります。そのかわり 2 本の帯はどちらも長くなり、着くまでが速くなります。

これが二律背反です。温度という 1 つのつまみが、つりあいの位置と、そこへ着く速さの両方を、反対の向きに動かします。

ハーバー・ボッシュ法が高い温度を使うのは、この折り合いを付けた結果です。そして温度で損をしたぶんを、圧力で取り返します。アンモニアの合成は 4 分子から 2 分子へ減る反応なので、圧力を上げれば右へ寄るからです。

触媒は、平衡を動かさない

最後に触媒です。触媒を入れると 2 本の帯はどちらも伸びます。ところがグラフの線の高さは動きません。段になりません。

触媒は正反応と逆反応の速さを、同じ倍率で上げるからです。2 本の長さの比が変わらないので、つりあう場所も変わりません。

ですから触媒は、着く先を良くする道具ではなく、着くまでを短くする道具です。温度を下げてもよい平衡へ早く着けるようになる、と言い換えてもかまいません。ハーバー法が鉄を使うのは、そのためです。

アンモニアの合成
シミュレーション止まっていないのに、変わらない狭めると、分子の数が減る側へ混ぜても、動くときと動かないときがある速さと平衡は、別のことを言っている分圧で作る平衡定数
二酸化窒素の二量化
シミュレーション温めると、熱を吸う側へ加えた変化を、和らげる向きへ何割が分かれているか
ヨウ化水素の生成
シミュレーションつりあうと、値が止まる始めの量を変えても、値は同じQ と K を比べれば、向きが分かる分子の数が変わらなければ、圧力は効かないつりあいの条件を、そのまま式にする
クロム酸と二クロム酸
シミュレーション加えると、反対側へ逃げる水は溶媒だから、式に出てこない