Реакция синтеза аммиака из азота и водорода описывается уравнением:

[ \text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3 ]

Это реакция является экзотермической, то есть выделяет тепло. Согласно принципу Ле Шателье, любое изменение условий, влияющее на равновесие реакции, будет вызывать смещение равновесия в сторону, которая компенсирует это изменение.

Влияние температуры:Снижение температуры: Увеличивает выход аммиака, так как экзотермическая реакция сместится в сторону образования продуктов, чтобы выделить тепло.Повышение температуры: Уменьшает выход аммиака, так как равновесие сместится в сторону реактанта (N₂ и H₂) для поглощения лишнего тепла.

На практике, однако, слишком низкие температуры замедляют скорость реакции, поэтому выбирают компромиссную температуру (обычно около 400-500 °C) для достижения разумного выхода аммиака и приемлемой скорости реакции.

Влияние давления:Повышение давления: Увеличивает выход аммиака, потому что при увеличении давления равновесие смещается в сторону меньшего объема газов. В данной реакции 4 молекулы газов (1 молекула N₂ и 3 молекулы H₂) превращаются в 2 молекулы NH₃, что соответствует уменьшению в объеме.Снижение давления: Уменьшает выход аммиака, так как равновесие сместится в сторону большего объема газов.

На промышленных заводах для достижения высоких выходов аммиака применяют высокое давление (обычно 150-300 атм).

Практические меры для повышения выхода аммиака:Оптимизация температуры и давления: Использование компромиссных условий, таких как 400-500 °C и 150-300 атм, для достижения хорошей скорости реакции и высокого выхода продукта.Катализаторы: Применение катализаторов (чаще всего на основе железа, иногда с добавлением других элементов, таких как калий и алюминий), чтобы увеличить скорость реакции при выбранных условиях.Рециркуляция реагентов: Избыточное количество водорода и азота подается в реактор, а неполученный аммиак рециркулируется для повышения общей эффективности процесса.Использование методов конденсации: Отвод тепла и конденсация образовавшегося аммиака для смещения равновесия в сторону продуктов.

Эти меры позволяют эффективно производить аммиак в промышленных масштабах, достигая максимального выхода и минимизируя затраты.