Ammoniaksynthese
Die Ammoniaksynthese ist entscheidend für die Produktion von Stickstoffverbindungen wie Düngemitteln. Erfahre, wie Wasserstoff und Stickstoff durch das Haber-Bosch-Verfahren zu Ammoniak reagieren. Mehr über die Geschichte und wirtschaftliche Bedeutung der Ammoniaksynthese erfährst du hier. Interessiert? Das und vieles mehr findest du im folgenden Text!
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Grundlagen zum Thema Ammoniaksynthese
Ammoniaksynthese – Chemie
Hast du schon einmal in der Schule oder in einem Referat etwas über die Ammoniaksynthese gehört? Über die Ammoniaksynthese kann Ammoniak hergestellt werden, das als Grundstoff für die Produktion aller weiteren Stickstoffverbindungen dient. Der größte Teil des Ammoniaks wird zu Düngemitteln, Harnstoff und Ammoniumsalzen weiterverarbeitet. Doch wie funktioniert die Ammoniaksynthese? In diesem Text erfährst du die Geschichte und Funktionsweise der Ammoniaksynthese.
Ammoniaksynthese – Geschichte
Die Ammoniaksynthese entwickelte sich, weil um das Jahr 1900 ein Mangel an Salpeter vorlag, der aus Chile geliefert wurde. Salpeter besteht aus Nitratsalzen ($\ce{R-NO3}$) wie beispielsweise
Die Salpetersäure kann statt mit Salpeter auch mit Ammoniak ($\ce{NH3}$) synthetisiert werden. Aufgrund des Mangels an Salpeter konnten die Salpetersäure und das Düngemittel um das Jahr 1900 nicht mit Salpeter hergestellt werden. So begann man, die Salpetersäure aus Ammoniak zu synthetisieren. Doch wie wird eigentlich Ammoniak gewonnen?
Ammoniaksynthese – Definition
Einfach erklärt kann Ammoniak über die Direktsynthese aus der Reaktion von Wasserstoff ($\ce{H2}$) mit Stickstoff ($\ce{N2}$) hergestellt werden. Die Synthese von Ammoniak findet nach dem Haber‑Bosch‑Verfahren statt. Der Ammoniaksynthese liegt dabei eine Gleichgewichtsreaktion mit folgender Reaktionsgleichung zugrunde:
$\ce{3H2 + N2 <=>[Fe3O4] 2NH3}$
Die Reaktion läuft technisch optimal unter folgenden Reaktionsbedingungen ab:
Einsatz des Katalysators Trieisentetraoxid ($\ce{Fe3O4}$) für die Ammoniaksynthese, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu beschleunigen.
Hoher Druck mit $\pu{300 bar}$, um das Volumen zu mindern. Grund dafür ist, dass das Volumen der Edukte – also von Wasserstoff ($\ce{H2}$) und Stickstoff ($\ce{N2}$) – doppelt so groß ist wie das Volumen des Produkts Ammoniak ($\ce{NH3}$).
$\ce{ {\color{CadetBlue}3} H2 + {\color{CadetBlue}1} N2 <=>[Fe3O4] {\color{CadetBlue}2} NH3}$Hohe Temperatur von $\pu{450 °C}$ , weil es sich bei der Ammoniaksynthese um eine exotherme Reaktion handelt.
Kontinuierliches Entfernen des flüssigen Ammoniaks, weil dieses in einer Gleichgewichtsreaktion vorliegt.
Synthese von Wasserstoff und Stickstoff
Neben der technischen Realisierung der Ammoniaksynthese muss sich diese auch wirtschaftlich lohnen. Damit die Synthese wirtschaftlich ist, müssen die Ausgangsstoffe Wasserstoff ($\ce{H2}$) und Stickstoff ($\ce{N2}$) günstig hergestellt werden. Der Stickstoff befindet sich in der Luft. Der Wasserstoff wird wie folgt über mehrere Stufen gewonnen:
- Beginnend mit der Spaltgaserzeugung läuft eine Reaktion von Methan ($\ce{CH4}$) mit
Wasser ($\ce{H2O}$) unter Einbezug eines Katalysators zu Kohlenstoffmonoxid ($\ce{CO}$) und Wasserstoff ($\ce{H2}$) ab.
$\ce{CH4 + H2O ->[Katalysator] CO + 3H2}$
- Während der Spaltgaserzeugung reagiert Methan nicht vollständig, sodass der Sekundärreformer eingesetzt wird. Hierbei reagiert Methan ($\ce{CH4}$) mit Sauerstoff ($\ce{O2}$) zu Kohlenstoffmonoxid ($\ce{CO}$) und Wasserstoff ($\ce{H2}$).
$\ce{2CH4 + 2H2O -> 2CO + 4H2}$
- Anschließend erfolgt das Konvertieren. Bei dieser Reaktion wird Kohlenstoffmonoxid ($\ce{CO}$) oxidiert. Kohlenstoffmonoxid ($\ce{CO}$) reagiert mit Wasser ($\ce{H2O}$) zu Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$) und Wasserstoff ($\ce{H2}$).
$\ce{CO + H2O -> CO2 + H2}$
- Das bei dem Konvertieren entstehende Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$) wird durch die Gaswäsche aus dem Reaktionsgemisch entfernt. Das geschieht unter Verwendung einer organischen Base. Diese verbindet sich mit dem potenziell sauren Kohlenstoffdioxid. Es entsteht ein Salz, das wasserlöslich ist und aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden kann.
$\ce{CO2 + \text{org. Base} -> \text{Salz (wasserlöslich)}}$
Dieses Video
In diesem Video lernst du eine der bedeutendsten Synthesen kennen – die Synthese von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak. Die Ammoniaksynthese, auch Haber-Bosch-Verfahren genannt, findet unter hohem Druck und hoher Temperatur mit einem Katalysator statt.
Der Ausgangsstoff Wasserstoff wird über ein mehrstufiges Verfahren erhalten. Die Stufen umfassen die Spaltgaserzeugung, den Sekundärreformer, das Konvertieren und die Gaswäsche. Der Stickstoff wird aus der Luft gewonnen.
Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!
Transkript Ammoniaksynthese
Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es wieder um die Stickstoffgruppe, die V. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Wir befassen uns im 5. Teil mit der Ammoniaksynthese. Versuchen wir, uns einmal in die Welt um 1900 hineinzudenken. Unter den vielen Schwierigkeiten und Problemen gab es ein Problem, das uns hier interessieren soll. Es geht um einen wichtigen Rohstoff, um zwar um Salpeter. Man bezog in bis dahin aus Chile, und nun kam es zu einer Verknappung. Salpeter, das sind die Nitrate des Natrium und des Kaliums. Man benötigt Salpeter als Düngemittel, aber auch für die Herstellung von Salpetersäure HNO3. Aus Salpetersäure selbst kann man wiederum Düngemittel herstellen. Außerdem ist Salpetersäure ein Ausgangsstoff für die Herstellung verschiedener Sprengstoffe. Andererseits war schon ein Verfahren bekannt, mit dessen Hilfe man aus Ammoniak Salpetersäure synthetisieren konnte. Wenn der natürliche Salpeter nicht mehr in ausreichender Menge geliefert werden konnte, so musste eine Methode entwickelt werden, Ammoniak synthetisch herzustellen. Bei der Ammoniaksynthese waren einige technische und wirtschaftliche Probleme zu lösen. Man hatte dabei im Hinterkopf die Direktsynthese, das heißt die direkte Herstellung aus Wasserstoff und Stickstoff. Die Reaktionsgleichung lässt sich sehr einfach aufschreiben: 3H2+N2->2NH3, Wasserstoff und Stickstoff reagieren zu Ammoniak. Das erste Problem bestand darin, billige Ausgangsstoffe, Wasserstoff und Stickstoff zur Verfügung zu stellen. Das weit schwierigere Problem bestand darin, die technische Realisierung der Direktsynthese von Ammoniak zu gewährleisten. 1. Billige Ausgangsstoffe Zunächst benötigt man günstigen Wasserstoff. Die 1. Stufe ist die Spaltgaserzeugung: CH4+H2O->CO+3H2. Das geschieht unter der Wirkung eines Katalysators. Methan+Wasser->Kohlenstoffmonoxid+Wasserstoff. Methan reagiert dabei nicht vollständig. Daher wird der Sekundärreformer eingesetzt: CH4+O2->2CO+4H2. Methan reagiert mit Luft, die aus Sauerstoff, aber auch aus Stickstoff besteht, reagiert zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Der bei der Reaktion verwendete Stickstoff N2 entstammt der Luft. Als 3. erfolgt die Konvertierung, das heißt, Kohlenstoffmonoxid wird oxidiert. CO+H2O->CO2+H2. Es entsteht Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoffdioxid wird 4. durch Gaswäsche aus dem Reaktionsgemisch entfernt. Das geschieht durch die Verwendung einer organischen Base. Diese verbindet sich mit dem potenziell sauren Kohlenstoffdioxid und entsteht ein Salz. Das Salz ist wasserlöslich und kann aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden. 2. Technische Realisierung 3H2+N2 stehen im chemischen Gleichgewicht mit 2NH3. Wasserstoff und Stickstoff stehen im chemischen Gleichgewicht zu Ammoniak. Die Reaktion läuft zu langsam ab. Was ist zu tun? Man verwendet einen Katalysator, in unserem Fall Fe3O4. Die Reaktion verläuft von links nach rechts mit Volumenverminderung, 3 Volumina plus 1 Volumen bei den Ausgangsstoffen machen 4 Volumina, bei den Reaktionsprodukten sind es nur 2 Volumina. Um möglichst viel Ammoniak herzustellen, muss man mit hohem Druck arbeiten. Man verwendet bei der Ammoniaksynthese einen Druck von etwa 300 bar. Die Reaktion ist endotherm. Man arbeitet hier jedoch bei hohen Temperaturen. Die Reaktionstemperatur liegt bei etwas 400 °C. Warum ist das so? Man schließt hier einen Kompromiss zwischen der Einstellung des chemischen Gleichgewichts und der Reaktionsgeschwindigkeit. Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, wird die Temperatur erhöht, obwohl das chemische Gleichgewicht dann nicht so stark in Richtung des Ammoniaks verschoben ist. Und schließlich, man möchte Ammoniak erhalten und davon möglichst viel. Daher wird der gebildete Ammoniak fortlaufend verflüssigt. Der flüssige Ammoniak wird ständig aus dem Gleichgewicht entfernt. Prägen wir uns somit ein: Bei der Ammoniaksynthese benötigt man einen Katalysator. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird durch den Katalysator und eine hohe Temperatur erhöht. Die Volumenverminderung wird ausgenutzt, indem ein hoher Druck verwendet wird. Denn 4 Volumina der Ausgangsstoffe stehen 2 Volumina des Reaktionsprodukts gegenüber. Ammoniak wird ständig verflüssigt und aus dem Reaktionsgleichgewicht abgezogen. Dadurch kann er sich ständig neu nachbilden. Die Ammoniaksynthese wurde nach ihren Entdeckern Haber-Bosch-Verfahren bezeichnet. Haber und Bosch waren beide Nobelpreisträger. Ich danke für eure Aufmerksamkeit. Auf Wiedersehen.
Ammoniaksynthese Übung
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Beschreibe die Problematik, die eine Herstellung von Ammoniak in großen Mengen nötig machte.
TippsDüngemittel enthalten Stickstoffverbindungen, da Pflanzen den gasförmigen Stickstoff der Luft nicht verarbeiten können.
LösungUm 1900 war der Nationalismus in ganz Europa stark verbreitet. Die Staaten versuchten daher, von vielen Importen unabhängig zu werden und sich autark zu versorgen.
Ammoniak spielte hier eine große Rolle, da für eine ausreichende Versorgung der Bevölkerung und der Armee mit Lebensmitteln der großflächige Einsatz von Düngemitteln unerlässlich war.
Außerdem konnte man mit Ammoniak auch Salpetersäure herstellen, was unter anderem zur Fertigung von Sprengstoffen diente.
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Formuliere die Reaktionsgleichung für die Ammoniaksynthese aus den Elementen.
TippsBeachte die Stöchiometrie. Auf der Seite der Edukte müssen genauso viele Atome der gleichen Sorte vorliegen wie auf der Seite der Produkte.
LösungFür alle Reaktionsgleichungen gilt der Massenerhaltungssatz. Es gehen also keine Atome verloren oder entstehen neu.
Die Reaktionsgleichung zur Herstellung von Ammoniak aus den Elementen ist auf den ersten Blick recht simpel. Die Schwierigkeit liegt aber in der Umsetzung dieser Synthese. Stickstoff ist sehr reaktionsträge, da es durch die Dreifachbindung sehr stabil ist. Man musste also geeignete Bedingungen finden, unter denen die Reaktion schnell genug abläuft.
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Erkläre mithilfe des Prinzips des kleinsten Zwangs (Le Chatelier), wie die Ausbeute einer Gleichgewichtsreaktion erhöht werden kann.
TippsWenn auf der Seite der Produkte mehr mol an Gas vorliegen als bei den Edukten, wie muss sich dann der Druck ändern, um eine Entstehung der Produkte zu begünstigen?
Bei einer endothermen Reaktion wird Energie aus der Umgebung aufgenommen. Wird dies durch eine tiefe oder hohe Temperatur begünstigt?
LösungNoch einmal zur Wiederholung vom Anfang der Aufgabe der Merksatz:
„Wirkt ein äußerer Zwang auf ein System im Gleichgewicht, verschiebt sich das Gleichgewicht in die Richtung, die dem Zwang entgegenwirkt.“
Dies ist ein sehr wichtiges Prinzip in der Chemie. Grundsätzlich kann man alle Reaktionen als Gleichgewichtsreaktionen betrachten. Bei einigen ist das Gleichgewicht aber fast vollständig auf Seiten der Produkte (Reaktion läuft nahezu vollständig ab) und bei anderen fast vollständig auf Seiten der Edukte (Reaktion läuft fast gar nicht ab).
Mit diesem Prinzip lassen sich, durch die Änderung der Bedingungen, gezielt Gleichgewichtsreaktionen beeinflussen. So kann man die Ausbeute des gewünschten Stoffes beträchtlich steigern.
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Ermittle die Reaktionsbedingungen für eine möglichst hohe Ausbeute an Ammoniak.
TippsEine negative Reaktionsenthalpie bedeutet, dass Energie frei wird. Die Reaktion ist also exotherm.
$T \downarrow$ bedeutet eine Senkung der Temperatur.
$p \uparrow$ bedeutet eine Erhöhung des Drucks.
LösungDie Reaktion verläuft unter Volumenabnahme, daher verschiebt sich die Lage des Gleichgewichts bei hohem Druck auf die Seite des Ammoniaks.
Die negative Reaktionsenthalpie zeigt uns, dass die Reaktion exotherm verläuft. Man begünstigt also die Bildung des Produkts durch niedrige Temperaturen.
Auch mit der Änderung der Konzentrationen kann man ein Gleichgewicht beeinflussen. Entnimmt man einen Stoff, läuft die Reaktion in die Richtung ab, in der dieser wieder gebildet wird. Daher macht es Sinn, Ammoniak laufend aus dem Reaktionsgefäß zu entnehmen. Gibt man einen Reaktionspartner hinzu, läuft die Reaktion in die Richtung ab, in der dieser verbraucht wird. Um die Ausbeute an Ammoniak zu erhöhen, ist es somit sinnvoll, Wasserstoff und Stickstoff immer wieder zuzuführen.
Obwohl die Reaktion exotherm verläuft, wird in der Realität mit Temperaturen um die 500°C gearbeitet. Dies begünstigt die Ausbeute nicht, führt aber zu einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit.
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Benenne die Probleme, die für eine großtechnische Herstellung von Ammoniak gelöst werden mussten.
TippsWelche Edukte benötigt man zur Herstellung von Ammoniak?
Mit welchem Druck sollte man bei der Ammoniaksynthese arbeiten (hoch oder niedrig)?
LösungDas Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure aus Ammoniak war bereits bekannt, aber die Synthese von Ammoniak aus den Elementen war noch Neuland.
Unter Berücksichtigung des Prinzips des kleinsten Zwangs (Le Chatelier) fanden Haber und Bosch aber eine praktikable Form dieser überaus wichtigen Synthese. Dafür bekamen sie den Nobelpreis für Chemie überreicht.
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Beschrifte die einzelnen Bestandteile der Anlage zur Ammoniaksynthese.
TippsUm das entstandene Ammoniak zu entnehmen, wird es verflüssigt. Dafür muss das gasförmige Ammoniak heruntergekühlt werden.
Wie kann man hier hohen Druck erzeugen?
LösungDies ist eine stark vereinfachte Darstellung einer Anlage für die Herstellung von Ammoniak.
Wichtig sind hier die Bestandteile, welche die Bedingungen für eine hohe Ausbeute schaffen. Dies ist zum einen der Kompressor. Durch ihn kann ein hoher Druck erzeugt werden, was die Reaktion mit Volumenminderung begünstigt.
Die Kühlung ermöglicht es, das Ammoniak zu verflüssigen und es so dem Reaktionskreislauf zu entnehmen.
Im Reaktor läuft die eigentliche Reaktion ab. Hier befindet sich der Katalysator, der die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Durch die exotherme Reaktion wird die Temperatur hier angehoben, was weiterhin die Geschwindigkeit erhöht.
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