EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Rohstoffe – Synthesegas – Haber-Bosch-Synthese Ammoniaksynthese 100 100 Abb. 100–1: Historische Ammoniak-Synthese- Apparatur Die Synthese von Ammoniak aus den Elementen wurde von Fritz Haber und Carl Bosch in Deutschland kurz vor Ausbruch des Ersten Weltkriegs entwickelt. Das Ziel damals war, ausgehend vom Luftstickstoff einen Zugang zu den Stick- stoffverbindungen zu finden, um vom Import von Chilesalpeter (Natriumnitrat, NaNO 3 ) unabhängig zu sein. Die Produktion von Salpetersäure aus Ammoniak ermöglichte die Herstellung der kriegswichtigen Sprengstoffe. Ammoniak er- wies sich dann als Schlüssel zu den Stickstoffdüngern, und man kann ohne Übertreibung sagen, als Basis der Welternährung. Die Entdeckung wurde 1918 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Die weltweite Produktion von Ammoniak beträgt heute jährlich etwa 145 Mio. Tonnen. Rohstoffe - Vorbereitung des Synthesegases Die Rohstoffe für die Ammoniaksynthese sind heute fast ausschließlich Erdgas (CH 4 ) und Luft. Bis zur eigentlichen Ammoniaksynthese sind einige Reaktionen notwendig. Erdgasspaltung - Gewinnung von H 2 CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 ∆ H R = + 206,2 kJ Das entschwefelte Erdgas wird mit Wasserdampf zur Reaktion gebracht. Diese Reaktion ist endotherm, dh., je höher die Temperatur ist, desto mehr verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der Produkte. Die Reaktion erfolgt technisch in von außen beheizten Rohren bei etwa 800 °C. Dabei setzen sich etwa 90 % des Methans um. Um das restliche Methan zu spalten, muss die Temperatur auf über 1000 °C ge- steigert werden. Dies geschieht durch Zusatz von Luft, in der die brennbaren Gase des Gemisches stark exotherm verbrennen. Man führt so viel Luft zu, dass der Stickstoffgehalt des Gasgemisches für die Ammoniaksynthese ausreichend ist. Nun liegt ein Gasgemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenmonoxid vor. Konvertierung – Entfernung von CO CO + H 2 O CO 2 + H 2 ∆ H = –41,2 kJ Kohlenmonoxid wird mit weiterem Wasserdampf umgesetzt. Diese schwach exotherme Reaktion muss nach dem Prinzip vom kleinsten Zwang bei mög- lichst tiefer Temperatur ablaufen. Man benötigt daher Katalysatoren. Die Re- aktion nennt man „Konvertieren“, da man für jedes Mol CO ein Mol H 2 erhält, also CO in H 2 „umwandelt“. Das entstehende CO 2 wird vor dem nächsten Schritt abgetrennt. Heißpottasche-Verfahren – Entfernung von CO 2 K 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 2 KHCO 3 Das entstandene Kohlenstoffdioxid wird in organischen Lösungsmitteln und heißer Kaliumcarbonat-Lösung gelöst und aus dem Gasgemisch entfernt. Methanisierung – Entfernung der CO-Reste CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O ∆ H R = –206,2 kJ Aus dem nun prinzipiell für die Ammoniak-Synthese fertigen Gasgemisch müs- sen noch Reste von Kohlenstoffmonoxid entfernt werden, da diese bei der Am- moniaksynthese als Katalysatorgift wirken. Die Methanspuren beeinträchtigen die Katalysatoren der Ammoniaksynthese nur wenig. Haber-Bosch-Synthese – Wahl der Reaktionsbedigungen Nun erfolgt die Synthese des Ammoniaks, wie sie von Haber und Bosch ent- wickelt wurde. Sie ist bis heute, abgesehen von Detailverbesserungen, gleich geblieben. N 2 + 3 H 2 2 NH 3 ∆ H R = –92,2 kJ Stickstoff (N 2 ) ist ein Molekül mit einer sehr großen Bindungsenergie. Dies ist der Grund für seine Reaktionsträgheit. Alle Reaktionen, bei denen elementarer Stickstoff beteiligt ist, benötigen eine hohe Aktivierungsenergie. 1000 bar 400 bar 200 bar 100 bar 1 bar 30 bar Temperatur in °C Volumsanteil an Ammoniak in % 200 300 400 500 600 700 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Abb. 100–2: Druck- und Temperaturabhängig- keit der Ammoniakausbeute Kp = –33,0 °C Fp = –77,7 °C Abb. 100–3: Kenndaten von Ammoniak Exkurs Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv