出典：公益社団法人 日本技術士会「技術士第一次試験 過去問題」
アンモニア合成反応N2+3H2=2NH3+92kJ(発熱反応・気体の物質量が減少)について、温度・圧力とアンモニア生成率の関係(ルシャトリエの原理)を問う問題。
熱化学方程式N₂+3H₂=2NH₃+92kJで表されるアンモニア合成反応について、反応温度・圧力とアンモニア生成率の関係を選ぶ問題。
① ルシャトリエの原理: 条件を変えると、それを打ち消す向きに平衡が移る。発熱反応は低温で右へ、気体の分子数が減る反応は高圧で右へ
② 右向きは92kJの発熱で、気体は4mol(N₂+3H₂)→2mol(2NH₃)に減る
③ 低温・高圧(④)
この反応は、右向きに進むと92kJの熱を放出する発熱反応であり、気体の物質量が4mol(N₂+3H₂)から2mol(2NH₃)に減少する反応である。ルシャトリエの原理(化学平衡は、外部から条件を変えると、その変化を打ち消す方向に移動する)より、低温にすると発熱方向(右向き)に平衡が移動し、高圧にすると気体の物質量が減少する方向(右向き)に移動する。したがって、低温・高圧で反応させるほどアンモニア生成率は向上し、④が正しい。(実際の工業的製法では、反応速度を確保するため、触媒を用いて約400〜500℃、高圧で行う。)
ルシャトリエの原理により、発熱反応は低温、気体分子数が減少する反応は高圧で、生成物に有利になる。ただし、低温では反応速度が遅いため、実際の工業プロセスでは、触媒を用いて適度な高温で行う。
キーワード: アンモニア合成、ルシャトリエの原理、化学平衡、ハーバー・ボッシュ法、材料・化学・バイオ