ハーバー法アンモニア合成の化学平衡Haber Process: Equilibrium of Ammonia Synthesis

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 温度を一定にして圧力を 30 MPa から 100 MPa に上げると、NH₃ の割合は増えるだろうか、減るだろうか。If the pressure is raised from 30 MPa to 100 MPa at constant temperature, will the proportion of NH₃ increase or decrease?💡 反応式の左辺と右辺で、気体分子の数を比べてみよう。Compare the number of gas molecules on each side of the equation.
2. 平衡に達したあと、分子どうしの反応は止まっているだろうか。Once equilibrium is reached, have the reactions between molecules stopped?💡 平衡になっても個数が一定に見える理由を、正反応と逆反応の両方から考えよう。Think about both the forward and the reverse reactions to explain why the numbers look constant.

2動かしてみようTry it

1. 「① 温度」700 K、「② 圧力」30 MPa、「③ 初期状態」正反応開始のまま「初期化」を押し、約20秒観察する。下の速度グラフで正 v₊ と逆 v₋ の曲線、上の「NH₃収率」と「平衡理論値」、「N原子」「H原子」の数を読む。With "① Temperature" 700 K, "② Pressure" 30 MPa and "③ Start" set to "Forward start", press "Reset" and watch for about 20 s. Read the forward v₊ and reverse v₋ curves in the rate graph, the "NH₃ yield" and "At equilibrium" values, and the "N atoms"/"H atoms" counts.
2. 「② 圧力」を 100 MPa に上げ、ピストンが下がる様子、速度グラフの一時的な差、新しい「平衡理論値」と各分子の個数を記録する。Raise "② Pressure" to 100 MPa. Record how the piston moves down, the temporary gap between the rate curves, the new "At equilibrium" value, and the number of each molecule.
3. 圧力 100 MPa のまま「① 温度」を 900 K に上げ、次に 500 K に下げて、それぞれ平衡理論値と「Kp」の値を記録する。Keeping 100 MPa, raise "① Temperature" to 900 K, then lower it to 500 K, recording the "At equilibrium" value and "Kp" each time.
4. 「③ 初期状態」を「NH₃過多（逆反応開始）」にして、NH₃ だけの状態から逆反応が優勢になり平衡へ向かう様子を観察する。Set "③ Start" to "Extra NH₃ (reverse)" and watch the reverse reaction dominate as the system moves from pure NH₃ toward equilibrium.

3確かめようCheck

1. 正反応開始から平衡に近づくと、速度グラフの v₊ と v₋ はどうなるか。平衡後、反応は止まるか。Starting from the forward side, what happens to v₊ and v₋ in the rate graph as equilibrium is approached? Does the reaction stop at equilibrium?→ 初めは v₊ が大きく v₋ はほぼ0だが、v₊ は下がり v₋ は上がって両者が一致する（700 K・30 MPa で v₊＝v₋＝1.80 回/s）。表示は「動的平衡 v₊＝v₋」となり、「直近20秒の変換」も正36回／逆36回のように両方向の反応が続いている。At first v₊ is large and v₋ is almost zero; v₊ falls and v₋ rises until they match (v₊ = v₋ = 1.80 /s at 700 K, 30 MPa). The display reads "Dynamic equilibrium v₊＝v₋", and "Last 20 s" shows e.g. forward 36, reverse 36: both reactions keep happening.
2. 圧力を 30 MPa から 100 MPa に上げると、何がどう変わるか。What changes when the pressure is raised from 30 MPa to 100 MPa?→ ピストンが下がって体積が小さくなり、一時的に v₊ が v₋ より大きくなってから新しい平衡に落ち着く。平衡理論値は 64.2% から 79.5% に上がり、NH₃ が増えて分子の総数は減る（例：計42個→38個）。Kp（3.06×10⁻⁴）は変わらない。The piston moves down and the volume shrinks; v₊ briefly exceeds v₋, then a new equilibrium is reached. The equilibrium yield rises from 64.2% to 79.5%, NH₃ increases and the total number of molecules falls (e.g., 42 → 38). Kp (3.06×10⁻⁴) does not change.
3. 100 MPa で温度を 700 K→900 K→500 K と変えると、平衡理論値と Kp はどうなるか。At 100 MPa, how do the equilibrium yield and Kp change as the temperature goes 700 K → 900 K → 500 K?→ 900 K では一時的に逆反応が優勢になり、平衡理論値は約 54.9%、Kp は約 9.1×10⁻⁶ に下がる。500 K では正反応が優勢になり、平衡理論値は約 95.7%、Kp は約 0.17 に上がる。At 900 K the reverse reaction briefly wins; the equilibrium yield drops to about 54.9% and Kp to about 9.1×10⁻⁶. At 500 K the forward reaction wins; the yield rises to about 95.7% and Kp to about 0.17.
4. どの操作をしても変わらないものは何か。What stays the same no matter what you change?→ 「N原子 32　H原子 96（一定）」の表示どおり、原子の総数は変わらない。分子の個数は N₂ 1個と H₂ 3個が NH₃ 2個に変わる比（1:3:2）でだけ増減する。The atom totals, shown as "N atoms 32 H atoms 96 (const.)". Molecule counts change only in the ratio 1 N₂ : 3 H₂ ⇌ 2 NH₃.

4考えようThink further

1. 低温ほど NH₃ の収率が高いのに、工業的なハーバー法ではなぜ約500℃（約770 K）で反応させるのか。Lower temperatures give higher NH₃ yields, so why does the industrial Haber process run at about 500 ℃ (about 770 K)?→ 温度が低いと反応速度が非常に小さく、平衡に達するまでに時間がかかりすぎるから。鉄触媒が十分に働く約500℃を速さと収率の妥協点とし、高圧（20〜30 MPa 程度）で平衡を NH₃ 側へ寄せている。触媒は平衡の位置を変えず、平衡に達する時間を短くするだけである。At low temperature the reaction is far too slow to reach equilibrium in reasonable time. About 500 ℃, where the iron catalyst works well, is a compromise between rate and yield, and high pressure (around 20–30 MPa) pushes the equilibrium toward NH₃. A catalyst does not shift the equilibrium; it only shortens the time to reach it.
2. 圧力を変えても Kp は変わらないのに、平衡の位置が NH₃ 側へ移るのはなぜか。Kp does not change with pressure, so why does the equilibrium position move toward NH₃?→ 加圧直後は各成分の分圧がすべて大きくなり、反応物側（分子4個）の分圧の積の方が生成物側（分子2個）より大きく増えるため、反応商 Q が Kp より小さくなる。Q が Kp に戻るまで正反応が進み、分子数の少ない NH₃ 側へ移動する。Kp を変えるのは温度だけである。Right after compression every partial pressure rises, and the reactant side (4 molecules) increases more in the product of partial pressures than the product side (2 molecules), so the reaction quotient Q falls below Kp. The forward reaction proceeds until Q equals Kp again, shifting toward NH₃, which has fewer molecules. Only temperature changes Kp.

よくある誤解Common misconceptions

• 「平衡に達すると反応が止まる」という考え。この作品では平衡後も正反応・逆反応の衝突アニメが同じ頻度で続き、速度グラフでも v₊＝v₋ として動き続けている。"At equilibrium the reaction stops." Here the forward and reverse reaction animations continue at the same rate, and the rate graph shows v₊ = v₋ still running.
• 「触媒を使うと NH₃ がたくさんできる（平衡が右へ動く）」「温度を上げれば何でも生成物が増える」という考え。触媒は平衡の位置を変えず、発熱反応では温度を上げると生成物は減る。"A catalyst produces more NH₃ (shifts the equilibrium)" or "heating always gives more product." A catalyst does not move the equilibrium, and for an exothermic reaction raising the temperature reduces the product.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)