Elemente und Moleküle, Maturatraining

Der eigentliche Syntheseschritt ist die Umsetzung der Elemente Wasserstoff und Stickstoff zu Ammoniak. 1. Stelle eine abgestimmte Reaktionsgleichung für diesen Vorgang auf. 2. Welche Massen an Wasserstoff und Stickstoff sind für die Synthese von 1,0 t Ammoniak notwendig, wenn man davon ausgeht, dass ein 100%iger Umsatz stattfindet? Der Umsatz ist nicht 100 %, es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen den Stoffen ein, das je nach Bedingungen mehr oder weniger auf Seiten des gewünschten Produktes liegt. Vergleichen wir die Situation bei zwei Temperaturen: 25 °C und 500 °C. Benutze für die folgenden Berechnungen die Tabellenwerte und die gegebenen Formeln. Die En- thalpieänderungen und die Entropieänderungen der Reaktion sollen als T-unabhängig angenommen werden. 3. Was versteht man unter ∆H o R , ∆S o R und ∆G o R einer Reaktion? 4. Berechne ∆H o R , ∆S o R und ∆G o R für die Synthesereaktion für die Bildung von 2 mol Ammoniak bei 25 °C und 500 °C. 5. Wo liegt das Gleichgewicht der Synthesereaktion bei 25 °C und bei 500 °C? R = 8,314 J . mol –1 . K –1 6. Tatsächlich arbeitet man bei 500 °C. In welcher Weise „widerspricht“ das deinen Rechenresultaten? Warum macht man das dennoch? 7. Der Nachteil der erwähnten Temperaturwahl wird durch andere Verfahrensbedingungen wettgemacht. Welche beiden Möglichkeiten gibt es? 8. Erkläre mit Hilfe des Prinzips vom kleinsten Zwang die Einflüsse von T und den Parametern von 7. qualitativ. 9. Welche zusätzliche Bedingung wählt man, damit sich das Gleichgewicht der Reaktion möglichst rasch einstellt? Wie hängt diese Maßnahme mit der folgenden Gleichung bzw. der folgenden Graphik zusammen? 38 Aufgabe 14 ∆H, ∆S & ∆G müssen erst einmal gebändigt werden Fragestellung: Wie haben Fritz Haber und Kollegen uns zu genügend Ammoniak verholfen? Die chemische Industrie gibt es seit rund 150 Jahren. Die ersten großtechnischen Verfahren waren die Herstellung von Soda und die Synthese von Farbstoffen. Ein Markstein in der Geschichte der industriellen Chemie war sicherlich die erste Synthese von Ammoniak (NH 3 ). Das Haber-Bosch-Verfahren (Patent 1910) ist ein chemisches Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff, das nach seinen Entwicklern Fritz Haber und Carl Bosch benannt ist. Es ist das bedeutendste industrielle Verfahren zur Umwandlung des unreaktiven Luftstickstoffs in eine nutzbare Stickstoffverbindung. Ammoniak braucht man zur Herstellung von Kunstdünger, welcher die Voraussetzung für die Ernährung eines Großteils der Weltbevöl- kerung war und ist. Das Haber-Bosch-Verfahren ermöglichte es auch, bei der Herstellung von Sprengstoff ohne natürliche Salpetervorkommen auszukommen. Im Zusammenhang mit dem Haber-Bosch-Verfahren wurden mehrere Nobelpreise für Chemie vergeben: an Fritz Haber 1918 und Carl Bosch 1931 (zusammen mit Friedrich Bergius) sowie an Gerhard Ertl 2007, unter anderem für die vollständige theoretische Erklärung des Mechanismus. Fragen und Aufgaben: TRA PRO H 2 0 0 –46 131 192 192 NH 3 N 2 ∆H o B (kJ • mol –1 ) S o 298 (J • mol –1 • K –2 ) ∆ G R o = ∆ H R o – T ⋅ ∆ S R o = –R ⋅ TlnK REP TRA TRA REF PRO k = A ⋅ e – E A R ⋅ T Energie TRA REF Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv