15族元素（N、P）は価電子を5個もち、多様な酸化数をとります。
窒素 N2 の圧倒的な安定性を出発点に、ハーバー・ボッシュ法でアンモニアへ、
オストワルト法で硝酸へと変換される「窒素の旅」を工業プロセスとして理解しましょう。
窒素 N2 は無色・無臭の気体で、空気の体積の約78%を占めます。N≡N の三重結合は結合エネルギーが非常に大きく（約945 kJ/mol）、常温では他の物質とほとんど反応しない（不活性）という特徴があります。
高温下では酸素と反応して一酸化窒素 NO を生じます（例：雷、自動車エンジン内）。
N2 + O2 → 2NO （高温）
実験室では亜硝酸アンモニウム NH4NO2 を加熱すると得られます。工業的には液体空気の分留（沸点：N2 −196℃、O2 −183℃）で分離します。
NH4NO2 → 2H2O + N2↑ （加熱）
アンモニア NH3 は無色・刺激臭の気体で、水に非常によく溶ける（1気圧・0℃で水 1 L に約 21 mol 溶解）。水溶液は弱塩基性を示します。
NH3 + H2O ⇄ NH4+ + OH−
また、NH3 は孤立電子対をもつため、配位結合を形成し、銅イオン Cu2+ などと錯イオン（テトラアンミン銅(II)イオン [Cu(NH3)4]2+）をつくります。
塩化アンモニウム NH4Cl と水酸化カルシウム Ca(OH)2 の混合物を加熱します。「弱塩基の塩＋強塩基 → 弱塩基が遊離」の反応です。
2NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2H2O + 2NH3↑
捕集は上方置換（NH3 の分子量 17 < 空気の平均分子量 29）。乾燥剤はソーダ石灰（NaOH + CaO）または生石灰 CaO を使用。濃硫酸・塩化カルシウムは NH3 と反応するため不可。
NH3 は水に非常によく溶けるため、水を少し触れさせると急激に溶け込み、丸底フラスコ内が減圧されて水が噴き上がります。フェノールフタレイン液を入れた水を使うと、噴き上がった水溶液が赤色に変わり（アルカリ性）、NH3 の塩基性を示します。
ハーバー・ボッシュ法（Haber-Bosch process）は、空気中の N2 と天然ガス由来の H2 からアンモニアを工業的に合成する方法です。1913年にドイツで工業化されました。
N2（気） + 3H2（気） ⇄ 2NH3（気） ΔH = −92 kJ
| 条件 | 操作 | 理由（ルシャトリエの原理） |
|---|---|---|
| 触媒 | Fe3O4（+ Al2O3、K2O） | 反応速度を上げる（平衡位置は変わらない） |
| 温度 | 400〜500℃（高温） | 低温が平衡上有利（発熱反応）だが、速度確保のため高温を選択 |
| 圧力 | 200〜1000気圧（高圧） | 左辺4 mol → 右辺2 mol、加圧で右へ移動 |
N2 を固定してアンモニアにする技術（窒素固定）は、肥料の大量生産を可能にし、世界の農業生産性を飛躍的に向上させました。現在、地球上の人口の約半分は、この方法で作られた肥料に依存しているとも言われます。一方で、過剰な窒素肥料は水質汚染（富栄養化）の原因にもなっています。
ハーバー・ボッシュ法の温度について「低温が有利なのになぜ高温を使うのか」という問いはよく出ます。答えは「低温では平衡は右に寄るが反応速度が遅すぎて工業的に実用的ではないから」です。触媒と高温を組み合わせて反応速度を確保しつつ、高圧で平衡を右に寄せるという二重の工夫が肝心です。
NO は無色の気体で、水に溶けにくい（水上置換で捕集）。空気中の O2 と反応して、すぐに赤褐色の NO2 に変わります。
2NO + O2 → 2NO2
実験室的製法：希硝酸（8 mol/L 程度）と銅の反応。
3Cu + 8HNO3（希） → 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO↑
NO2 は赤褐色の気体で、刺激臭、有毒。水と反応して硝酸と NO を生じます（オストワルト法の最終ステップ）。
3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO
実験室的製法：濃硝酸と銅の反応。
Cu + 4HNO3（濃） → Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2↑
| NO | NO2 | |
|---|---|---|
| 色 | 無色 | 赤褐色 |
| 毒性 | 有毒 | 非常に有毒 |
| 水への溶解 | 溶けにくい | 溶けやすい |
| 捕集法 | 水上置換 | 下方置換 |
| N の酸化数 | +2 | +4 |
| 製法（実験室） | 希硝酸 + Cu | 濃硝酸 + Cu |
硝酸 HNO3 は強酸で、水溶液中でほぼ完全に電離します。また、強い酸化作用をもち、希硫酸や希塩酸では溶けない銅・銀なども溶かします。
硝酸は光で分解するため褐色ビンに保存します（光により NO2 が生じて黄色くなる）。
鉄 Fe・アルミニウム Al・ニッケル Ni は濃硝酸に浸すと表面に緻密な酸化物の膜（不動態）を形成し、内部を保護して溶けなくなります。濃硝酸の運搬にはアルミニウム製タンクが使われます。
オストワルト法（Ostwald process）は、アンモニアを出発原料として硝酸を工業的に製造する方法です。
ステップ1：NH3 の酸化 白金 Pt（または Pt-Rh合金）を触媒として、アンモニアを空気酸化する。
4NH3 + 5O2 （Pt 触媒） → 4NO + 6H2O
ステップ2：NO の酸化 冷却しながら空気と混合し、NO を NO2 に酸化する。
2NO + O2 → 2NO2
ステップ3：NO2 の水への吸収
3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO
生成した NO は循環してステップ2に戻します。工業的には約60〜65% の硝酸が得られます。
| 接触法（硫酸製造） | オストワルト法（硝酸製造） | |
|---|---|---|
| 原料 | S（硫黄）または硫化鉱石 | NH3（アンモニア） |
| 触媒 | V2O5（酸化バナジウム(V)） | Pt（白金） |
| 製品 | H2SO4（硫酸） | HNO3（硝酸） |
| 中間体 | SO3 | NO → NO2 |
15族元素の学習の核心は「N の酸化数の多様性」と「2大工業プロセス」の理解です。
Q1. 実験室でアンモニアを発生させる方法を、化学反応式と捕集法を含めて説明せよ。
Q2. ハーバー・ボッシュ法で使用する触媒と、高温が使われる理由（平衡の観点と速度の観点の両方）を説明せよ。
Q3. 銅に希硝酸を加えたときと濃硝酸を加えたときで発生する気体が異なる。それぞれの反応式を書け。
Q4. オストワルト法の3ステップを、化学反応式と触媒を含めて順に示せ。
基礎（A）から発展（C）まで段階的に取り組んでみてください。
アンモニア NH3 に関する記述として正しいものを、次の①〜⑤からすべて選べ。
②③⑤
①が誤り。NH3 の水溶液（アンモニア水）は弱塩基性を示します（NH3 + H2O ⇄ NH4+ + OH−）。
④が誤り。濃硫酸は酸性なので NH3（塩基性）と反応してしまいます。NH3 の乾燥にはソーダ石灰（NaOH + CaO）または生石灰（CaO）を用います。
②③⑤はすべて正しい。③は 2NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2H2O + 2NH3↑ の反応です。
ハーバー・ボッシュ法について、以下の問いに答えよ。
(1) この反応の化学反応式（可逆反応として）を書け。
(2) アンモニアの収率を上げるために、理論的に有利な温度・圧力の条件をルシャトリエの原理を用いて説明せよ。
(3) 工業的には(2)とは異なる条件が採用される場合がある。その理由を述べよ。
(1) N2（気）+ 3H2（気）⇄ 2NH3（気） ΔH = −92 kJ
(2) この反応は発熱反応なので、低温にすると平衡が発熱方向（右向き、NH3 生成方向）に移動して収率が上がる。また気体の総物質量が左辺（4 mol）より右辺（2 mol）の方が少ないので、高圧にすると物質量が減少する方向（右向き）に平衡が移動して収率が上がる。
(3) 低温では反応速度が非常に遅くなり、工業的な生産速度が得られない。そのため、触媒（Fe3O4）を用いて速度を上げながら、400〜500℃（比較的高温）で操業することで、収率と速度のバランスをとっている。
「平衡の移動」と「反応速度」は別の概念です。触媒は平衡の位置を変えませんが、反応速度（正反応・逆反応ともに）を大きくします。工業プロセスでは両者のトレードオフを考慮した最適条件を選ぶことが重要です。
オストワルト法で 0℃、1.013×105 Pa のアンモニア 56.0 L を完全に反応させたとき、以下の問いに答えよ。原子量 H=1.0、N=14、O=16。ただし標準状態での気体 1 mol の体積を 22.4 L とする。
(1) アンモニアの物質量を求めよ。
(2) このアンモニアから理論上得られる硝酸の最大質量を求めよ。ただし、NO は全量循環してすべて HNO3 に変換されると仮定する。
(1) 56.0 ÷ 22.4 = 2.50 mol
(2) 全体の反応をまとめると NH3: HNO3 = 1:1（N 原子保存）。HNO3 の式量 = 1 + 14 + 48 = 63。
HNO3 の物質量 = 2.50 mol。質量 = 2.50 × 63 = 157.5 g ≈ 158 g
(2) のポイントは「NO が循環して最終的にすべて HNO3 になる」という仮定のもとで、N 原子の物質量が保存されることです。NH3 の N が全て HNO3 の N になるので mol 比は 1:1。3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO という反応式だけを見ると NO2:HNO3 = 3:2 ですが、生じた NO が再利用されるため、最終的な収支は NH3:HNO3 = 1:1 となります。