私たちや植物はタンパク質を合成するために窒素を必要としますが、空気中の窒素分子（N₂）は非常に安定で反応しにくい状態です。これを人為的に変える技術を「窒素固定」と呼び、20世紀初頭の人口増加に伴う食料問題を解決する鍵と見なされていました。フリッツ・ハーバーは1909年、約500℃・200気圧という過酷な条件下で鉄触媒を使い、N₂とH₂からアンモニアを合成する反応を実証しました。のちにカール・ボッシュが装置設計と材料の改良を行い、大規模生産が可能となります。生成したアンモニアは硝酸や尿素に変えられ、高性能肥料として世界に普及しました。その結果、農業収量が飛躍的に増大し、現代の人口増加を支える基盤が築かれました。一方、アンモニアは爆薬原料にもなるため、科学技術の光と影を考える事例としてもしばしば取りあげられます。

ハーバー・ボッシュ法は発熱反応 N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ を高温高圧下で平衡転化させる工業プロセスである。熱力学的には低温が有利だが反応速度は高温で向上するため，400–500 ℃・150–250 barという折衷条件が採用される。触媒には多孔質鉄を基材とし，K₂OやAl₂O₃などの助触媒で電子供与性と耐焼結性を高めたものが用いられる。合成ガスは循環し，未反応ガスを再利用することでエネルギー消費を抑え，生成アンモニアは冷却によって液化分離される。世界のアンモニア年産量は約2億トンに達し，人類が摂取する窒素の半分以上が工業的窒素固定由来と推定される。CO₂排出と大量エネルギー消費を背景に，再生可能エネルギー由来のグリーン水素を用いる低炭素アンモニア合成が研究されている。化学工学・触媒化学・熱力学・材料科学が結集した代表的技術であり，科学史や倫理の観点からも重要な教材となる。

酸化マグネタイト由来のFe-K触媒はα-Fe(111)表面でのN₂解離が速度律速段階であり，K⁺は電子供与により活性化障壁を低下させ，Al₂O₃・CaOは耐焼結性を付与する。工業炉は断熱多床式で段間冷却を行い，等温に近い運転を実現して平衡収率を向上させる。Temkin–Pyzhevや改良Redlich速度式に基づく動力学モデルが温圧依存性を高精度で再現し，デジタルツインを用いた最適化が可能となっている。アルゴンなど不活性ガスを除去するためPSAや膜分離を併設し，単一パス転化率を向上させる技術も成熟した。近年はRu/C12A7:e⁻エレクトライド触媒やプラズマ支援法により低温低圧でのNH₃合成を目指す研究が盛んである。可変再エネ電力とアルカリ水電解を組み合わせたモジュール型ハーバー・ボッシュは，ライフサイクルCO₂を約90％削減できると試算される。プロセスは肥料だけでなく酸化剤，爆薬，さらには燃料電池用NH₃キャリアとしても不可欠である。将来的課題は負荷追従運転，カーボンフリーH₂との統合，循環型窒素社会の構築にある。