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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
(1868-1934) und dem Ingenieur Carl Bosch (1874-1940) entwickelt. Die Erfindung
geht aber eigentlich auf Wilhelm Ostwald
(1853-1932) zurück, der 1900 ein Patent dazu anmeldete und das Patent
an die BASF verkaufte (vgl. Geschichte
der Ammoniaksynthese).
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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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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Nachweise 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