Реакция (Хабера–Боша): (\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3}). Число газовых молей изменяется на (\Delta n = 2-(1+3) = -2).

Влияние температуры

Равновесие: реакция экзотермическая; стандартная теплота (\Delta H^\circ \approx -92.2\ \text{kJ/mol}) (на одну молекулу реакции). По ван‑Гоффу
[
\frac{d\ln K}{dT}=\frac{\Delta H^\circ}{RT^2},
]
при (\Delta H^\circ<0) константа равновесия (K) уменьшается с ростом (T). Следовательно низкая температура благоприятствует образованию (\mathrm{NH_3}).Кинетика: скорость реакции растёт с температурой (закон Аррениуса). При слишком низкой (T) кинетика слишком медленная даже при благоприятном равновесии.Вывод: нужно компромиссное повышенное (T) (чтобы получить приемлемую скорость), но не настолько высокое, чтобы сильно снизить (K). В промышленности обычно работают при (T\approx 400\text{–}500^\circ\mathrm{C}).

Влияние давления

По принципу Ле Шателье: поскольку (\Delta n=-2), повышение общего давления смещает равновесие вправо (к продукции).В выражении константы в парциальных давлениях:
[
Kp=\frac{P{NH3}^2}{P{N2}\,P{H_2}^3}.
]
Увеличение общего давления повышает парциальные давления реагентов и способствует образованию (\mathrm{NH_3}).Промышленные давления высоки, но ограничены экономикой и прочностью аппаратуры: типично (P\approx 100\text{–}300\ \text{atm}) (≈ (10\text{–}30\ \text{MPa})).

Технологические компромиссы и приёмы оптимизации

Температура vs кинетика: применяют умеренно высокую (T) ((\sim 400\text{–}500^\circ\mathrm{C})) и катализатор, чтобы снизить активационный барьер и обеспечить приемлемую скорость при ещё допустимом равновесном выходе. Основной катализатор — железо с промоторами (K, Al2O3, т.д.); для низкотемпературных схем используют рутениевые катализаторы, но они дороже.Давление vs энергия/стоимость: повышение (P) улучшает выход, но дорого по сжатию и требует прочных сосудов; выбирают компромисс (P\sim 100\text{–}300\ \text{atm}).Удаление продукта: конденсация и отбор (\mathrm{NH_3}) из реакционной смеси снижает его парциальное давление и сдвигает равновесие вправо; на практике используют межступенчатое охлаждение и конденсацию.Рециркуляция: однопроходная конверсия невысока ((\sim 15\text{–}25\%) при типичных условиях), поэтому непрореагировавшие газы возвращают в реактор; общий выход достигается >(95\%) за счёт рециркуляции.Отвод тепла и утилизация энергии: экзотермическая энергия рекуперируется для подогрева входящих потоков (теплообменники), что повышает общую энергоэффективность.Управление инертами: ввод инертных газов или накопление инертов снижают парциальные давления реагентов — приходится делать промывку/сброс (пардж) для удаления инертов.Материально‑технологические решения: выбор материалов и катализатора, многоступенчатые компрессоры, оптимизация соотношения (N_2:H_2) (обычно избыток (H_2)), тепловая интеграция и управление потоками для минимизации энергозатрат.

Краткое суммирование

Низкая (T) и высокое (P) благоприятствуют равновесному выходу аммиака; высокая (T) благоприятствует кинетике. Промышленность выбирает средние высокие температуры и достаточно большие давления, использует каталитическое ускорение, конденсацию продукта и рециркуляцию, чтобы сбалансировать выход и энерго‑/капитальные затраты.