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Das Haber-Bosch-Verfahren
Das Gas Ammoniak
mit der Formel NH3 ist in der Chemie ein wichtiges Zwischenprodukt.
90% aller Düngemittel werden heute aus Ammoniak
gewonnen. Außerdem kann man aus Ammoniak Salpetersäure
herstellen. Das Haber-Bosch-Verfahren wurde zwischen 1905 und 1913 von
dem deutschen Chemiker Fritz Haber
und dem Ingenieur Carl Bosch entwickelt. Die Erfindung geht aber eigentlich
auf Wilhelm Ostwald zurück,
der 1900 ein Patent dazu anmeldete und das Patent an die BASF verkaufte.
Das Ammoniak wird bei diesem
Verfahren aus Stickstoff und Wasserstoff
nach folgender Reaktionsgleichung hergestellt:
N2 + 3 H2 
2 NH3
DHR
= -92 kJ/mol
Stickstoff
+ Wasserstoff
Ammoniak
Haber und Bosch fanden
durch langjährige Versuche heraus, dass für die Gleichgewichts-Reaktion
zwischen Stickstoff und Wasserstoff unter folgenden Bedingungen am meisten
Ammoniak gebildet wird:
1. Bei einer Temperatur
von 550°C
2. Unter sehr hohem Druck
von 150 bis 250 bar
3. Bei einem Überschuss
von Stickstoff (Hinweis: Das stöchiometrische Verhältnis bei
der Reaktion zwischen Stickstoff und Wasserstoff wäre nach der Theorie
1:3, allerdings wird in der Praxis mehr Stickstoff zugegeben)
4. Beim Vorliegen eines
Katalysators
Bei sehr hohem Druck verschiebt
sich das Gleichgewicht nach rechts und die Ausbeute erhöht sich. Hohe
Temperaturen verringern nach dem Prinzip
von Le Chatelier jedoch wieder die Ausbeute. Daher wählt man einen
Mittelweg und setzt Katalysatoren ein. Erst wenn
alle vier Reaktionsbedingungen gleichzeitig vorliegen, ist die Ausbeute
an Ammoniak optimal.
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(nur auf CD-ROM)
1. In einer Pumpe, einem
Kompressor, wird das Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff auf
den notwendigen Druck komprimiert.
2. In einem Gasreiniger
wird das Gasgemisch von unerwünschten Verunreinigungen wie Schwefelverbindungen
oder Kohlenmonoxid gereinigt.
3. Im Kontaktofen
läuft die eigentliche Reaktion nach der oben beschriebenen Reaktionsgleichung
ab. In einem zylinderförmigen, druckfesten Reaktionsrohr wird das
Gasgemisch unter hohem Druck auf bis zu 500°C erhitzt. Dabei strömt
das Gasgemisch an einer mit dem Katalysator beschichteten Fläche vorbei
und reagiert zu Ammoniakgas. Der Katalysator besteht aus einem Gemisch
von Eisenoxid und Aluminiumoxid. Außen ist das Reaktionsrohr mit
druckbeständigem, dicken Stahl verstärkt. Innen darf kein Stahl
verwendet werden, weil der Wasserstoff mit dem im Stahl enthaltenen Kohlenstoff
reagieren würde. Deshalb besteht das Innenrohr aus kohlenstoffarmem,
reinen Eisen.
4. Im Kühler
wird das noch heiße Ammoniakgas abgekühlt.
5. Im Abscheider
wird das Ammoniakgas von nicht umgesetzten Ausgangsprodukten (Wasserstoff
und Stickstoff) getrennt. Im Kontaktofen setzen sich trotz optimaler Reaktionsbedingungen
nur etwa 15% der Ausgangsstoffe in Ammoniak um. Die nicht umgesetzten Restgase
werden an der Stelle (6) wieder eingeführt.
Wasserstoff und Stickstoff
lassen sich aus Erdgas nach der Synthesegas-Erzeugung
gewinnen.
Fritz Habers erste Versuchsanlage
zur Ammoniaksynthese (Dt. Museum München)
Die Ammoniaksynthese im Modellversuch
In einigen Experimentierbüchern
wird eine Synthese von Ammoniak aus den Elementen beschrieben. Mit Hilfe
der Entnahmeventile an den Gasflaschen wird der Gasstrom so eingestellt,
dass etwa dreimal soviel Wasserstoff wie Stickstoff zusammengemischt werden.
Die Kontrolle erfolgt über die Blasenzählung in den beiden Gaswaschflaschen,
in denen sich Paraffinöl befindet.
Ammoniaksynthese im Modellversuch
Wasserstoff und Stickstiff
wird im Verhältnis 1:3 über
einen Cereisen-Katalysator
im Verbrennungsrohr geleitet.
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Nachweis des Reaktionsproduktes
Nach dem Erhitzen des
Katalysators
färbt sich die
Phenolphthaleinlösung pinkfarben.
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Die
Nachahmung des Versuchs ist nur mit einer ausführlichen Anleitung
aus einem Experimentierbuch zu empfehlen. Eine Schutzscheibe ist notwendig,
eine Durchführung im Abzug empfehlenswert. Film
erhältlich auf >DVD
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Nach einer Weile wird
an der Entnahmedüse ganz rechts an der Apparatur die Knallgasprobe
durchgeführt. Erst wenn diese negativ verläuft, wenn also kein
Sauerstoff mehr in der Apparatur vorhanden ist, kann der austretende Wasserstoff
gezündet werden. In der nach dem Reaktionsrohr nachgeschalteten Gaswaschflasche
befindet sich eine wässrig-alkoholische Phenolphthaleinlösung.
Nun wird der Brenner
gezündet und der Katalysator im Reaktionsrohr erhitzt. Er beginnt
zu glühen und allmählich färbt sich die Phenolphthaleinlösung
pinkrot. Dies ist darauf zurückzuführen, dass im Reaktionsrohr
der Stickstoff mit dem Wasserstoff zu Ammoniak reagiert, das sich im Wasser
der nachgeschalteten Waschflasche zu Ammoniaklösung löst. Das
Phenolphthalein zeigt die entstehende, alkalische Lösung an.
Weitere Informationen
Geschichte
der Ammoniaksynthese
Ammoniak
Düngemittel
Stickstoff
Synthesegas-Erzeugung