触媒 · CatalystLab

別の道を通る

表面の触媒サイクル

カメラが鉄の表面に寄ります。NH₃ 分子は表面でこんなふうに「組み立て」られます：

① 吸着：N₂ が表面の空きサイトに入り、H₂ は降りたとたんに 2 個の H 原子に分かれます。② 解離：N≡N が表面で切れて 2 個の N 原子になります――いちばん遅い段階（律速段階）です。③ 水素化：H 原子が表面を動き回り、N に一つずつ付きます：N → NH → NH₂ → NH₃。④ 脱離：NH₃ が表面を離れ、空いたサイトが次の分子を受け入れます。

「N₂ を 1 個追跡」を押して、一周を追いかけましょう。次に圧力を上げると、表面にぶつかる分子が増えて空きサイトが埋まり、速さは圧力についていかなくなります。

平衡は動かない

温度・圧力・原料がまったく同じ反応容器が二つ。右だけに鉄触媒が敷いてあります。右のグラフを見てください。触媒のある容器はすぐに平衡に達し、ない容器はずっと遅い――でも二本の曲線は最後に同じ点線に落ち着きます。

触媒は正反応と逆反応を同じだけ速くするので、平衡に達するまでの時間を縮めるだけで、平衡時の NH₃ の割合は変えません。

次に温度：アンモニア合成は発熱反応なので、温度を上げると平衡時の割合は下がり、速さは上がります。工業で 400〜500 °C を選ぶのは速さと収率の折り合いで、鉄触媒がいちばんよく働く温度でもあります。

画面では触媒のない容器を十数倍遅いだけにして、最後に平衡に達する様子が見えるようにしています。実際には 10¹² 倍以上遅く、とても待てません。

選択性

原料を一酸化炭素（黒と赤の二原子）と水素に替えます。

ニッケルの表面では CO の三重結合が切られ、C と O が別々に水素化されます：C はメタン CH₄に、O は水になります。

銅–酸化亜鉛に替えると（表面の青灰色の小島が酸化亜鉛）、CO は切れずに、分子まるごと H を一つずつ受け取り、最後にメタノール CH₃OH になります。

反応物が同じでも、触媒が違えば通る道も生成物も違う――これが触媒の選択性です。酵素の「特異性」は選択性の極端な例です。

触媒毒

原料ガスに少しでも硫化水素（黄色）が混じると、鉄の表面に触れたとたん分解し、硫黄原子がサイトをしっかり占めて二度と離れません。

占められたサイトはもう N₂ を吸着できず、使えるサイトはどんどん減り、NH₃ の生成速度は下がり続けます――これが触媒の被毒です。右のグラフの灰色の線は、同じ条件の新しい触媒で、比較用です。

あとから原料ガスを精製しても速さは戻りません。被毒した触媒は交換するか再生する必要があります。だからアンモニア工場では、原料ガスを反応塔に入れる前に必ず脱硫します。

確認テスト