化学平衡
その理由について、まず反応温度の影響を述べる。窒素と水素の反応は極めて遅く、反応を起こさせるには大変な高温を必要としてしまう。そこで、触媒を用いる必要がある。ミタッシュは数多ある触媒のなかから、この反応に適する触媒として四酸化三鉄 Fe3O4 を主成分とする二重促進鉄触媒を見つけ出した。しかしながら、この触媒を用いたとしても、平衡を有利にするために、低温(400 °C 以下)で反応させると、反応速度が不十分であり、NH3 が出来るまで多大な時間を要する。そこで、もう少し高温(500 °C 程度)で反応させると、収率は少し減るものの、短時間でアンモニアが生成するので、反応後、未反応原料を回収し、再び反応に用いる方がより経済的である。
次に圧力の影響を述べる。高圧にさせるためには、反応を起こす容器がその圧力に耐えなければならないが、強度の高い反応器を設計し、高圧で運用するためには多大なコストがかかってしまう。よって、工業的には、300 – 500 atm 程度で運用されている。
さらに、まだ変化させていない条件(濃度)を変化させる為に反応の途中で適宜アンモニアを取り出すことで、逆反応を起こりにくくしアンモニアを効率的に合成している。
逆反応: v 2 = k 2 [ B 1 ] b 1 [ B 2 ] b 2 . . . [ B n ] b n {\displaystyle \,v_{2}=k_{2}[\mathrm {B} ^{1}]^{b_{1}}[\mathrm {B} ^{2}]^{b_{2}}...[\mathrm {B} ^{n}]^{b_{n}}}
と近似される。ここで [ "物質名" ] はその物質のモル濃度であり、 k 1 {\displaystyle k_{1}} , k 2 {\displaystyle k_{2}} は反応速度定数と呼ばれる。化学平衡に達したときは両方の反応速度が等しくなっている ( v 1 = v 2 {\displaystyle v_{1}=v_{2}} ) ため、次式が成立する。
k 1 [ A 1 ] a 1 [ A 2 ] a 2 . . . [ A n ] a n = k 2 [ B 1 ] b 1 [ B 2 ] b 2 . . . [ B n ] b n . {\displaystyle k_{1}[\mathrm {A} ^{1}]^{a_{1}}[\mathrm {A} ^{2}]^{a_{2}}...[\mathrm {A} ^{n}]^{a_{n}}=k_{2}[\mathrm {B} ^{1}]^{b_{1}}[\mathrm {B} ^{2}]^{b_{2}}...[\mathrm {B} ^{n}]^{b_{n}}\,.}
濃度変化(溶液の場合)
ある物質の濃度を変化させたとき、その物質の濃度変化を打ち消す向きに平衡が移動する。このことを利用し、特定の自分が必要となる物質を反応系から除外すれば(気体や沈殿として発生させるなど)、自分の求める反応を連続して起こすことができる。したがって可逆反応を不可逆反応として反応させられる。
圧力変化(気体の反応)
圧力の変化による平衡の移動の向きを知るには、反応式の左辺と右辺の総モル数を比べればよい。圧力を上げると合計のモル数が少ないほうへ平衡が移動する。このことから、反応式の両辺のモル数が等しい場合、平衡移動は起こらない。
例:上記のアンモニアの反応においては、左辺が 4 mol、右辺が 2 mol であるから、圧力を上げると平衡は右へ、圧力を低下させると平衡は左へ移動する。
温度変化
吸熱あるいは発熱反応をする場合、温度を変化させた場合その変化を打ち消す向きに平衡が移動する。