Коротко: реакция синтеза аммиака
[
\mathrm{N_2} + 3\mathrm{H_2} \rightleftharpoons 2\mathrm{NH_3}
]
термодинамически благоприятна при низкой температуре (экзотермична), но кинетически медленна из‑за прочной тройной связи N≡N. Это и заставляет промышленность идти на компромисс — повышать температуру и давление.

Почему нужны высокая температура и давление

Термодинамика. Реакция экзотермична ((\Delta H^\circ <0)), поэтому по принципу Ле-Шателье понижение температуры смещает равновесие вправо (больше аммиака). Это отражает уравнение Вант-Гоффа:
[
\frac{d\ln K}{dT}=\frac{\Delta H^\circ}{RT^2},
]
и поскольку (\Delta H^\circ<0), (K) уменьшается с ростом (T). Экспрессия константы равновесия в давлении:
[
Kp=\frac{p{\mathrm{NH}3}^2}{p{\mathrm{N}2}\,p{\mathrm{H}_2}^3},
]
при увеличении общего давления (меньшее суммарное число молей газа справа) равновесие смещается к продукту.

Кинетика. Молекулярный азот имеет очень сильную тройную связь (энергия порядка ( \sim 940\ \mathrm{kJ/mol})), поэтому без катализатора барьер диссоциации велик. Скорость реакции описывается законом Аррениуса:
[
k=A\exp!\left(-\frac{E_a}{RT}\right),
]
и для существенных скоростей требуется высокая (T) (или эффективный катализатор, снижающий (E_a)).

Промышленные компромиссы

Температура: выбирают умеренно высокую (T) — чтобы получить приемлемую скорость, но не слишком высокую, чтобы не потерять выгодное равновесие; типично (T\approx 400\text{–}500^\circ\mathrm{C}).Давление: повышают, чтобы сместить равновесие к аммиаку; типичные промышленные значения (P\approx 150\text{–}350\ \mathrm{atm}). Более высокое давление улучшает выход, но увеличивает стоимость компрессоров и корпуса реактора.Катализаторы: промышленный Fe‑катализатор с добавками (K, Al2O3 и пр.) даёт компромисс «приличная скорость при умеренно высокой (T)». Рутений на специальных поддержках позволяет работать при более низких (T) (лучше равновесие), но металл дорог и требователен к условиям.Рециркуляция и конденсация: чтобы обойти частично неблагоприятный баланс «скорость vs. равновесие», используют многократную циркуляцию и конденсацию выпавшего аммиака; перегоночный выход за проход может быть невысок ((\sim 10\text{–}30\%)), но общий выход — высокий.Тепловая интеграция: выделяющееся тепло рекуперируют (преднагревание, парогенерация), что повышает энергоэффективность процесса.

Альтернативы и ограничения

Новые каталитические системы (Ru‑катализаторы, поверхности с активными центрами) и электрокаталитические/плазменные методы стремятся снизить (T) и давление, но на крупном промышленном масштабе экономичность и долговечность пока ограничены.Экономический компромисс: меньшая температура улучшает равновесие, но требует очень активного/дорогого катализатора и/или увеличения времени контакта; более высокое давление улучшает выход, но резко повышает капитальные затраты.

Вывод: высокие (T) нужны для кинетики (получить приемлемую скорость), высокие (P) — для термодинамики (сместить равновесие); промышленный режим выбирается как компромисс между скоростью, равновесием и экономикой (обычно (T\approx 400\text{–}500^\circ\mathrm{C}), (P\approx 150\text{–}350\ \mathrm{atm}), Fe‑катализатор, рециркуляция и рекуперация тепла).