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リーフレット「化学のちから」08

人類の生存を支えるアンモニア合成②
ハ ー バ ー・ ボ ッ シ ュ 法 ‒ 化 学 工 業 の 幕 開 け［直接関連する項目］ 科学と人間生活 「科学技術の発展」「熱や光の科学」、「物質の科学」、「これからの科学と人間生活」
化学基礎 「化学と人間生活」
化学 「物質の変化と平衡」、「無機物質の性質と利用」

図 1. 化学工場の一例

19 世紀、産業革命後の人口増加により窒業生産に適した触媒の開発と、工業生産を可素肥料が世界的に不足するという危機に直面能にする高圧技術の開発です。そこで活躍ししたなか、ハーバーが世界で初めて効率のよたのが、ドイツの化学会社 BASF 社の技術者

いアンモニア製造法を見つけ、大変期待されアルヴィン・ミタッシュ（1869-1953）とカました。しかし、その技術が世界を救うまでール・ボッシュ（1874-1940）です。ハーバにはまだ、乗り越えなくてはならない壁があーが触媒として使ったオスミウムは埋蔵量がったのです。

少なく、高価です。また扱い方が難しく、工業触媒として使うには適しませんでした。さ工業化におけるミタッシュ（触媒の探索）とボッシュ（高圧反応の実現）の役割らに、当時の化学工業で扱える圧力は最大で20 〜 30 気 圧 で し た。
ハーバーの方法は百数前号のように、空気中の窒素を使ったアン十気圧という高い圧力

モニア合成の基礎研究はハーバーにより達成

を 必 要 と し、 し か もされましたが、実際にアンモニアを工業的に500 ℃ 以 上 と い う 高生産するためにはさまざまな技術的困難があ温が必要でした。当時りました。その困難で特に大きな問題が、工の技術者にとってはま図 2.アルヴィン・ミタッシュ01

ったく「未知の世界」だったのです。

モニア合成工場の稼働を実現させます。これ

工業化に最適な触媒の探索は、ミタッシュが、工学的手法を取り入れた近代的な化学工が担当しました。彼は、1909 年から 3 年間、業の原点にもなっています。こうして実用的徹底的に実験をし、約 2500 種類の触媒につなアンモニアの工業生産が開始されました。

い て 調 べ、 最 終 的 に 酸 化 鉄（ 四 酸 化 三 鉄

彼は、この方法をさらにメタノールやガソリFe3O4）を基本としてアルミナ（酸化アルミンの合成にも適用して、その工業的生産を果ニウム Al2O3）と酸化カリウム（K2O）を加たします。

えた「二重促進鉄触媒」が最も活性が高く、こうした高圧化学の分野での一連の功績がしかも寿命が長いことを発見しました。工業認められ、ボッシュは 1931 年のノーベル化化では、触媒の寿命が製造コストに直接響き、学賞を受賞しました。アンモニア合成から 2非常に大事になってきます。反応塔に一度仕つのノーベル賞が生まれたのです。なお、触込んだら長く使えるものがよいのです。
また、媒を開発したミタッシュの成果も、ノーベルオスミウムと比べると格段に材料費が安いと賞の価値があったといわれていますが、残念いう利点もありました。ミタッシュは 1922ながら受賞には至りませんでした。

年までに 2 万回もの実験をしましたが、この触媒を上回るものはありませんでした。
この二重促進鉄触媒を基本としたものが、100 年を経た現在でも使われ続けています。

日本でアンモニアが工業的につくられるよ

また、このときの研究方法が，その後の触媒うになったのは、ハーバー・ボッシュ法によ研究にも大いに役立ちました。アルミナや酸る生産が始まって 10 年後の 1923（大正 12）化カリウムなど、他の成分を添加することに年です。日本窒素肥料（現在の旭化成）がイより触媒の性能が飛躍的に向上するというタリアのカザレー法を導入し、宮崎県延岡市“ 助触媒 ” の考え方ができたのもこのときでの工場で生産を開始しました。この方法は、す。今では、助触媒がなぜ触媒の性能を向上

ハーバー・ボッシュ法とは触媒と反応条件がさせるかもわかるようになってきています。

違いますが、基本的な考えは同じです。ハー高温・高圧技術の開発は、ボッシュが担当

バー・ボッシュ法は、特許の関係で使えなかし ま し た。BASF 社 は、2 人 の 実 験 を 元 にったのです。このときに使われた設備が、今1911 年に試験工場を始動させて日産 100 kgも旭化成ケミカルズの愛宕事業所（宮崎県延を達成しました。翌年には日産 1 t にします岡市）に保存されています。1924 年にはクが、試験中の装置

ロード窒素（現在の三井化学）がフランスのは破損が多く、しクロード法を導入して工業生産を始めましばしば運転が停また。また、日本独自の合成法が 1918 年に当りました。ボッシ

時の東京工業試験所（現・産業技術総合研究ュは、反応装置に所）に設立された「臨時窒素研究所」で開発用いる材料や各種が始められました。1931 年に、
昭和肥料（現・部品などの改良を昭和電工）がこの方法の工業化に成功し、神重ね、1913 年 9 月

奈川県川崎市の工場で純国産技術によるアンに日産 30 t のアンモニアの工業生産が始まりました。この方法

図 3.カール・ボッシュ
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日本でのアンモニア合成

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リーフレット ‑ 08に波及効果を与えましたが、個々の分野への貢献だけでなく、アンモニア合成を工業化するにあたってボッシュが行った徹底的な検討は、その後の近代化学工業の発展の指針となりました。家内工業に近かった化学工業が、大規模な近代的化学工業へと転換した原点といえます。

効率よく反応を進める工夫
図 4.日本初のアンモニアの工業生産で使われた装置（宮崎県延岡市：旭化成㈱）ハーバーによる最初の検討以来、アンモニア合成では徹底的な省エネ化が図られていまでつくられたアンモニアは、第二次世界大戦す。反応開始当初は反応容器を加熱する必要後の日本の食糧難解決にも一役買っていまがありますが、反応が始まると反応熱で温度す。当時の設備が現在でも保存されていまが維持でき、追加のエネルギーを投入する必す。

要がありません。また、反応せずに残った窒素ガスと水素ガスは生成物のアンモニアと分アンモニア合成により可能になったさま
ざまな化学工業離して再利用します。アンモニアは冷却して液体アンモニアとして取り出しますので、容易に分離することができます。

このようにアンモニアが合成されると、硫ハーバー・ボッシュ法によるアンモニア合酸アンモニウム（硫安 (NH4)2SO4）などの肥成は、高温高圧下での反応ですが、さまざま料が大量にしかも安価にできるようになり、な工夫がこらされることで、GSC（グリーン・農業に大きな恩恵をもたらしました。一方、サステイナブル

アンモニアからつくられるものとして、爆薬製造法になっているのです。

ケミストリー）を達成したもあります。アンモニアから硝酸塩を経ることで、トリニトロトルエン（TNT 火薬）やニトログリセリン（ダイナマイトの原料）が新しいアンモニア合成法を目指して合成できるのです。また、アンモニアは、レミタッシュが開発した二重促進鉄触媒は、ーヨンなどの繊維を製造する際に使われま現在も使われる非常に優れた触媒です。製造

す。レーヨンは、セルロースを銅アンモニアコスト、反応活性、寿命のバランスが、工業溶液に溶かしてつくられますが、アンモニア的生産に最も適したものになっているのでは銅アンモニア溶液の原料です。日本におけす。しかし、高温・高圧という条件を克服するレーヨンの製造は、1931 年、日本窒素肥る試みが今でも続けられています。現在使わ料（現・旭化成）が始めました。このようにれている製造法は、かなり省エネ化されてはアンモニア製造は、日本の化学繊維の勃興にいますが、それでもその製造に用いられるエも貢献しました。

ネルギーは、世界のエネルギー消費量の 1％アンモニア合成はさまざまな化学工業分野近くといわれています。これを大幅に減らす
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ことができれば、製造コストを削減でき、しかも、世界のエネルギー問題解決に貢献できるのです。そうした工夫、特に、これまでより低温低圧で工業的に生産できないかの検討が、今も続けられています。

問題（1）窒素ガスと水素ガスを 1 対 3 の割合で混合して高温・高圧にしても反応しない。それはなぜでしょうか。自分の考えを述べなさい。また、反応させるためにはどうしたらよいでしょうか。実際に可能かは別として、いくつかの案を考え、自分の考えとして述べなさい。
（2）アンモニア合成反応について、触媒と平衡の影響についてまとめてみましょう。
（3）ハーバー・ボッシュ法が化学工業に与えた影響についてまとめてみましょう。
（4）ハーバー・ボッシュ法が、化学工業以外に社会に与えた影響について、話し合ってみましょう。

答え（1）（回答例）この反応は活性化エネルギーが大きいので、高温高圧にしても、この活性化エネルギーをなかなか超えられないため。適切な触媒を使うことで、この反応の活性化エネルギーを低下させ反応が進行するようにする。
（2）
（3）
（4）省略

【参考文献】
1）トーマス・ヘイガー著、渡会圭子訳『空気を変える錬金術 − ハーバー、ボッシュと化学の世紀』、みすず書房、2010 年
2）亀山哲也、江崎正直、「アンモニア合成技術の歴史」、『20 世紀の日本の化学技術』 p. 6、ティー・アイ・シィー、2004 年
3）江崎正直、「アンモニア合成」、化学と教育 1999 年 1 号、p.38-41
4）牧野 功、「肥料製造技術の系統化」、技術の系統化調査報告 第 12 集

p.209 − 271、国立科学博物館 2008 年

5）山口 孝、「旭化成と延岡市−カザレー式アンモニア合成が残したもの」、化学と工業 2010 年 7 月号、p. 566-5676）亀山哲也、「日本の近代化学工業創出の原点−国産技術によるアンモニア合成（東工試法）の開発と企業化」、化学と工業 2013 年 7 月号、p.
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2014 年 4 月 発行