Haber-Bosch-Verfahren

Beim Haber-Bosch-Verfahren entsteht Ammoniak. Durch die Verwendung von einem Katalysator, eine Erhöhung des Drucks und dem Abführen von Ammoniak wird die Herstellung von Ammoniak verbessert.


Erklärung

Fritz Haber und Carl Bosch haben am Anfang des 20. Jahrhunderts eine Synthese zur Ammoniakherstellung entwickelt. Dabei reagieren Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak.

\text{N}_{2} \text{ (g)} + \text{3 H}_{2} \text{ (g)} \xrightleftharpoons{} 2\text{ NH}_{3} \text{ (g)}N2 (g)+3 H2 (g)2 NH3 (g)\text{N}_{2} \text{ (g)} + \text{3 H}_{2} \text{ (g)} \xrightleftharpoons{} 2\text{ NH}_{3} \text{ (g)}

Bedingungen

Generell läuft die Synthese unter diesen Bedingungen ab:

  • Katalysator: Eisen
  • Temperatur: ca. 500 °C
  • Druck: ca. 300 bar
  • Ammoniak wird aus System entfernt

Katalysator

Die Reaktion läuft mithilfe eines Katalysators ab. Dieser Katalysator ist Eisen. Je höher die Temperatur wird, desto wirksamer wird der Katalysator.

Trotzdem darf die Temperatur nicht zu hoch sein, weil sonst die eigentliche Reaktion negativ beeinflusst wird.

Das liegt daran, dass die Reaktion exotherm ist.

\text{N}_{2} \text{ (g)} + 3\text{ H}_{2} \text{ (g)} \xrightleftharpoons{} 2\text{ NH}_{3} \text{ (g)}; \ \Delta \text{H}= -92,28\text{ kJ}N2 (g)+3 H2 (g)2 NH3 (g);ΔH=92,28 kJ\text{N}_{2} \text{ (g)} + 3\text{ H}_{2} \text{ (g)} \xrightleftharpoons{} 2\text{ NH}_{3} \text{ (g)}; \ \Delta \text{H}= -92,28\text{ kJ}

Prinzip vom kleinsten Zwang

Nach dem Prinzip vom kleinsten Zwang (Prinzip von Le Chatelier) weicht ein System immer dem Zwang aus. Das heißt, es verschiebt sein Gleichgewicht auf die Seite der Edukte oder Produkte.

Ein Zwang kann sein:

  • Temperatur
  • Druck
  • Konzentration

Bei einer Temperaturerhöhung läuft die Reaktion ab, bei der die Wärme wieder "verbraucht" wird. Es läuft also die endotherme Reaktion ab. Bei der Ammoniaksynthese also die Rückreaktion. Es werden mehr Edukte und weniger Ammoniak gebildet.

Das ist ungünstig, weil Ammoniak entstehen soll. Du kannst dem aber mit den anderen Zwängen entgegenwirken.

Durch eine Druckerhöhung läuft die Reaktion ab, bei der weniger Teilchen entstehen. Bei dieser Reaktion hast du links vier und rechts zwei Gasmoleküle. Die Reaktion wird also nach rechts zu dem Ammoniak verschoben.

Außerdem kannst du das Produkt, also Ammoniak, entfernen. Dadurch wird die Konzentration der Produkte gesenkt. Zum Ausgleich werden dann mehr Produkte nachgebildet.


Bedeutung

Ammoniak ist wichtig, um Düngemittel herzustellen. Das ist vor allem für die Ernährung der Weltbevölkerung bedeutend.

Auch zur Herstellung von Sprengstoff und stickstoffhaltigen Chemikalien wird Ammoniak verwendet.

Dabei ist das Haber-Bosch-Verfahren das bedeutendste Verfahren weltweit. Im Jahr 2017 wurden mit diesem Verfahren mehr als 150 Millionen Tonnen Ammoniak produziert. Das sind mehr als 99 % der weltweiten Produktion an Ammoniak.

Moderne Ammoniakanlagen erzeugen mittlerweile mehr als 3000 Tonnen Ammoniak pro Tag.

Insgesamt macht das Haber-Bosch-Verfahren rund 1,4 % des Weltenergiebedarfs aus.

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