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Ammoniaksynthese 06:33 min

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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.  

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3 Kommentare
  1. Default

    Hallo,
    Ammoniaksynthese ist eine exotherme Reaktion und keine endotherme Reaktion.

    Von Nazgolyadmand, vor 16 Tagen
  2. 001

    Hallo, danke für das aufmerksame Schauen. Natürlich verläuft die Ammoniaksynthese exotherm. Hohe Temperaturen sind nicht gut für das chemische Gleichgewicht im Sinne der Gewinnung von Ammoniak. Die Reaktion läuft dann aber schneller ab. Die Bemerkung ist völlig korrekt.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor fast 4 Jahren
  3. Default

    Die Ammoniaksynthese verläuft endotherm? Sie verläuft doch exotherm (laut Internet -92,5 kJ/mol). Deshalb ist es doch vorteilhaft mit niedrigen Temperaturen zu arbeiten, da aber die Geschwindigkeit darunter leiden würde, geht man den Kompromiss ein, oder hab ich das falsch verstanden? Sonst verstehe ich nicht, was für ein Kompromiss im Video gemeint ist. Wäre die Ammoniaksynthese endotherm, wäre es doch nur vorteilhaft, sie bei hohen Temperaturen durchführen.

    Von Liri R, vor fast 4 Jahren