反応と条件
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃は発熱反応で、気体分子が4から2に減ります。ル・シャトリエの原理により低温・高圧が収率に有利ですが、低温では反応が遅すぎます。そのためプラントでは、約400～500°Cで、カリウムとアルミニウムの酸化物で促進した鉄触媒を用いる妥協をし、未反応の気体を再循環させます。
触媒の役割
触媒は平衡を移動させるのではなく、活性化エネルギーを下げて平衡に早く到達させます。窒素分子は鉄の表面に吸着して解離します。ゲルハルト・エルトルはこの表面機構を解明して2007年のノーベル化学賞を受賞しました。
歴史と影響
- フリッツ・ハーバーが1909年に実験室で合成に成功し、BASFのカール・ボッシュが1913年に工業化しました。
- 合成窒素肥料は世界人口の約半分を養っていると推定されています（Erisman et al., 2008）。
- 硝酸を経て、同じ技術は第一次世界大戦で爆薬を供給しました。これは科学者の社会的責任をめぐる議論で繰り返し取り上げられるテーマです。
環境問題
水素の大半は天然ガスから得られるため、アンモニア生産は大きなエネルギー消費源でありCO₂の排出源です。また過剰な肥料は水質汚染と一酸化二窒素の排出を引き起こします。電気分解によるグリーン水素の利用が検討されています。
参考文献
- Smil, V. (2001). Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production. MIT Press.
- Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z., & Winiwarter, W. (2008). How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geoscience, 1, 636-639.
- Ertl, G. (2008). Reactions at surfaces: From atoms to complexity (Nobel Lecture). Angewandte Chemie International Edition, 47(19), 3524-3535.
- Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Physical Chemistry (10th ed.). Oxford University Press.