Big Bang HTL 2, Schulbuch

Bereich Grundlagen der Chemie (II. Jahrgang, 3. Semester) 101 Anorganische Stoffe in Alltag und Technik 8 Nach den Chemikern, die das Verfahren entwickelt (Fritz Haber) und großtechnisch umgesetzt (Carl Bosch) haben, nennt man es „Haber-Bosch-Verfahren“ . Info: Haber-Bosch-Verfahren Der benötigte Stickstoff wird aus der Luft (besteht zu fast 80% aus N 2 ) gewonnen. Dafür wird diese verflüssigt und destilliert (siehe Kapitel 6.3). Den Wasserstoff erhält man durch die sogenannte Dampfreformierung aus Methan (CH 4 ) oder anderen fossi- len Rohstoffen mit heißem Wasserdampf an einem Kata- lysator. Das ebenfalls gebildete Kohlenmonoxid wird zu Kohlendioxid nachverbrannt und aus dem Synthesegas aus- gewaschen, da es die nachfolgende Ammoniakherstellung stören würde. 1. Wasserstoffherstellung : CH 4 + H 2 O ® CO + 3H 2 2. Ammoniaksynthese: N 2 +3H 2 2NH 3 Die direkte Reaktion der beiden Elemente Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak ist eine Gleichgewichtsreaktion. Dieses Gleichgewicht liegt unter normalen Bedingungen vollständig auf der Seite der Ausgangsstoffe. Nur durch das Wissen über die Beeinflussbarkeit des chemi- schen Gleichgewichts konnte dieses Problem überwunden werden. Abb. 8.2: Schema der Ammoniak- herstellung Abb. 8.3: li: Fritz Haber, re: Carl Bosch Haber-Bosch – Chemisches Gleichgewicht in der Praxis In Kapitel 5.7 haben wir gelernt, dass Reaktionen in beide Richtungen verlaufen können, also reversibel sind. Wenn beide Reaktionen mit gleicher Geschwindigkeit ablaufen, befindet sich die Reaktion im Gleichgewicht. Das Wissen über das chemische Gleichgewicht war notwendig, um die Herstellung von Ammoniak möglich zu machen. Wer ver­ gessen hat, wie das mit dem Gleichgewicht genau funk­ tioniert hat, liest bitte gleich nochmals nach. 1. Temperatur Das Problem bei der Ammoniakherstellung ist, dass die Hinreaktion zum Ammoniak zwar exotherm ist, aber eine sehr hohe Aktivierungsenergie hat. Für das Überwinden der Aktivierungsenergie wird eine hohe Temperatur benötigt. Bei dieser hohen Temperatur wird aber die exotherme Reaktion immer langsamer. Das bedeutet, dass im Gleich- gewicht nur sehr wenig Ammoniak vorhanden wäre. Dieses Problem kann teilweise mit einem Katalysator (z. B. Fe 3 O 4 , heute auch als Mischkatalysator mit K 2 O, CaO, Al 2 O 3 und SiO 2 ) überwunden werden. Er ermöglicht die Reaktion bei tieferen Temperaturen (ca. 400–600 °C) . 2. Druck 4 Teilchen 2 Teilchen N 2 + 3H 2 2NH 3 Auf der linken Seite des Gleichgewichts befinden sich 4 Gasteilchen, auf der rechten nur zwei. Da bei hohem Druck das System zu weniger Teilchen (hier also nach rechts) verschoben wird, betreibt man die Ammoniaksynthese bei 200–300 bar . 3. Entfernen des Produktes Durch Entfernen des gebildeten Ammoniaks aus dem Gleichgewicht zwingt man diese, immer wieder Ammoniak nachzubilden. Das Abtrennen des Ammoniaks wird durch Abkühlen des Reaktionsgemisches und Kondensation des Ammoniak s ermöglicht. Der flüssige Ammoniak lässt sich leicht von den gasförmigen Ausgangsstoffen abtrennen. ( F3 ) i Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv