Moin Leute, zwar haben wir die Haber-Bosch-Ammoniak-Synthese schon öfters mal kurz erwähnt, aber weil die so wichtig ist und weil es euch auch interessiert, machen wir jetzt doch ein eigenes Video draus. So, also die Haber-Bosch-Ammoniak-Synthese wurde von Fritz Haber und Karl Bosch entwickelt. Das sind die beiden Player hier.
Für ihre Synthese bekamen sie auch beide den Chemie Nobelpreis, also war schon eine beachtliche Leistung. Aber was passiert dabei genau und welche Bedingungen müssen herrschen? Vom Prinzip reagieren Stickstoffmoleküle mit 3 mal so vielen Wasserstoffmolekülen zu 2 Ammoniakmolekülen.
Klingt jetzt echt easy, aber ist es nicht. Wenn ihr zum Beispiel Wasserstoff herstellt und den in Stickstoff einleitet, entsteht dadurch kein Ammoniak. Zumindest nicht bei normalen Bedingungen.
Irgendwas müssen die also verändert haben. Und da schauen wir zunächst auf einen Katalysator, also einen Stoff, der die Reaktion beschleunigt, ohne selbst verbraucht zu werden. Und hierfür wird im Haber-Bosch-Verfahren Eisen-2-Dreioxid, also Fe3O4, ein Gemisch aus Eisen-2-Oxid, FeO und Eisen-3-Oxid, Fe2O3 eingesetzt. Das nennt man auch Magnetiz. Um aktiv zu werden, wird es später durch den Wasserstoff an der Oberfläche zu Ferrit, der Standardmodifikation von reinem Eisen reduziert.
Das Ferrit dient dann als eigentlicher Katalysator der Reaktion. Diese Reduktion hat aber direkt nichts mit der Ammoniakentstehung selber zu tun. Sie läuft nur parallel ab und bereitet sozusagen den Katalysator vor.
Per Definition ändert sich ja ein Katalysator durch die Katalyse nicht. Und das gute bei dem Katalysator ist, er wird wirksamer, je höher die Temperatur ist. Also wäre es super, die Temperatur hochzudrehen. Dann laufen die Reaktionen schneller ab.
Hier kommen wir aber zu einem Problem und der zweiten Bedingung. Die Reaktion ist insgesamt exotherm, also es wird energiefrei. Und da wir hier eine Gleichgewichtsreaktion haben, gilt, wenn die Temperatur größer wird, läuft die Reaktion bevorzugt ab, die die Wärme verbraucht. Das wäre aber dann die Rückreaktion.
Also je wärmer es wird, desto mehr verlagert sich das Gleichgewicht noch links auf die Seite der Elemente. Wir stehen dadurch vor einem Dilemma. Zu niedrige Temperatur. Dann liegt das Gleichgewicht zwar gut, aber die Reaktion ist langsam. Zu hohe Temperatur?
Hier läuft die Reaktion schnell ab, aber das Gleichgewicht liegt doof. Deshalb fand man mit etwa 500°C eine Temperatur, bei der am meisten Ammoniak entsteht. Nach Temperatur und Katalysator hatte man aber noch eine Einflussmöglichkeit auf die Reaktion, nämlich den Druck. Der wurde natürlich auch angepasst.
Warum hilft das? Naja, in der ausgeglichenen Reaktionsgleichung haben wir 4 Mol Gasteilchen auf der Seite der Ausgangsstoffe, auf der anderen nur 2. Wenn der Druck jetzt steigt, verschiebt sich das Gleichgewicht so, dass es dem äußeren Zwang ausweicht. Das heißt hier konkret, es verschiebt sich auf die Seite des geringeren Volumens.
also zum Ammoniak. Deshalb wird ein Druck von etwa 300 bar angelegt. Wie kann man sich jetzt die Reaktion gut vorstellen?
Der Stickstoff, der aus der Luft gewonnen wird und der Wasserstoff, der meist aus Erdgas gewonnen wird, gelangen zum Katalysator. Hier werden beide an der Oberfläche adsorbiert, also angelagert. Anschließend werden die Bindungen zwischen den Molekülen gespalten, denn die Anlagerung schwächt die elementaren Molekülbindungen. Nun können die Stickstoffmoleküle nach und nach mit adsorbierenden Wasserstoffmolekülen reagieren, bis Ammoniak entstanden ist.
Anschließend löst sich der Ammoniak von der Oberfläche, man sagt auch er desorbiert. Und man bekommt den Ammoniak in der Gasphase. Das funktioniert nur, bis sich ein Gleichgewicht von etwa 18% eingestellt hat. Jetzt muss man nur noch das Gasgemisch aus Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak trennen. Das gelingt durch Abkühlen.
da Ammoniak schon bei minus 33 Grad Celsius flüssig wird. Die übrigen Gase, also Stickstoff und Wasserstoff, werden wieder in den Reaktionsbehälter geleitet und können hier reagieren. Deshalb wird das Verfahren auch als Kreislauf bezeichnet.
So viel zum Prozess selbst. Aber warum ist diese Ammoniakerstellung so toll? Sogar so gut, dass sie einen Nobelpreis verdient? Das liegt daran, dass aus dem Ammoniak stickstoffhaltige Düngemittel hergestellt werden.
Klingt zwar im ersten Moment wenig spannend, aber ohne den Dünger, der aus diesem Ammoniak entsteht, könnte die Weltbevölkerung nicht ernährt werden. Also eine lebenswichtige Erfindung. Weitere wichtige chemische Entdeckungen könnt ihr hier in unseren Top 5 sehen.
Schaut sie euch an. Hat euch das Video gefallen? Dann lasst ein Like oder Kommentar und schaut unbedingt auch die anderen Kanäle von The Simple Club an.
Eure gratis Nachhilfe im Netz. Ansonsten haut rein und machts gut bis dann und ciao!