2.15 Die Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren)
I. Herstellung
3 H₂ (g) + N₂ (g) ⇌ 2 NH₃ (g) ΔfH°m = -46 KJ/mol
ΔH°R = -92 KJ
Erklärung: Molare-Standard-Bildungsenthalpie: ΔfH°m
° = Standardbedingungen: 25°C (298 K) und 1,013 bar (1013 hPa)
f = formation, Bildung
Das MWG für die Ammoniaksynthese:
Es handelt sich um eine exotherme und unter Volumenverminderung ablaufende Gleichgewichtsreaktion.
II. Günstige Bedingungen für die Ammoniaksynthese
- niedrige Temperatur
- hoher Druck
- Konzentrationsabhängigkeit
zu a) Temperaturabhängigkeit des Ammoniak-GG
Bei Zimmertemp. ist die Ammoniakausbeute fast 100 %, die Reaktionsgeschwindigkeit ist jedoch zu klein.
Problem: hohe Aktivierungsenergie: Spaltung von 1 mol N₂ benötigt 964 KJ)
Lösung: Katalysator: wirken bei dieser Reaktion erst ab ca. 400°C (Kat: fein verteiltes Eisen, K₂O und Al₂O₃)
Kompromiss: Eine genügende Reaktionsgeschwindigkeit findet man bei 500°C; die Ammoniakausbeute (500°C, 1 bar): 0,1 Vol.-%
zu b) Druckabhängigkeit des Ammoniak-GG
3 H₂ (g) + N₂ (g) ⇌ 2 NH₃ (g)
3 RT 1 RT 2 RT
Durch Steigerung des Drucks auf ca. 200 bar (Material !!) steigert man bei 500°C die Ausbeute auf 17,5 Vol.-%.
zu c) Konzentrationsabhängigkeit des Ammoniak-GG
3 H₂ (g) + N₂ (g) ⇌ 2 NH₃ (g)
↓ ↓ ↓
Bei Entzug von Ammoniak (z.B. verflüssigen und abziehen aus dem geschlossenen System) wird das GG nach rechts verschoben.
III. Bedingungen für technische Ammoniaksynthese
Die gewählten Reaktionsbedingungen stellen einen Kompromiss zwischen Temp, Druck, Konzentration, der Reaktionsgeschwindigkeit, den technischen Problemen und den Kosten dar.
p: 200-400 bar; Temp.: 500-600°C mit Katalysatoren; laufendes entfernen des Ammoniak.
IV. Gewinnung der Ausgangsstoffe
a) Wasserstoff wird überwiegend aus Erdgas (Methan) und Wasser gewonnen.
b) Im zweiten Reaktion setzt man überschüssiges Methan mit Luft um. (Hinweis: bei Produkten müsste 5 H2 stehen; ein Dank an L.K. für die Korrektur).
Kohlenstoffmonoxid CO ist ein Katalysatorgift und muss deshalb in CO₂ überführt werden.
V. Verwendung von Ammoniak
- Zur Herstellung von Düngemittel (ca. 80 %)
- Vorprodukten von Kunststoffe
- Pflanzenschutzmittel
- Sprengstoffe
- Salpetersäure (HNO₃)
- Arzneimittel