Anorganische Chemie

Haber Bosch Verfahren

Was das Haber Bosch Verfahren ist, wozu du es braucht und wie es abläuft behandelt dieser Artikel. Wir gehen außerdem noch auf die Hauptreaktion und die Reaktionsbedingungen ein sowie auf die optimale Synthese Temperatur.

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Inhaltsübersicht

Haber Bosch Verfahren einfach erklärt

Merke
Das Haber Bosch Verfahren (engl.: Haber Bosch process) dient dazu, Ammoniak großtechnisch in sehr großem Maßstab herzustellen. Dieses wird als Grundchemikalie dann in weiteren Prozessen, wie dem Ostwald Prozess benötigt.

Die Reaktanden in diesem Prozess sind Stickstoff N_2 und Wasserstoff H_2, die durch geschickte Wahl der Prozessbedingungen dann zu Ammoniak reagieren.

Haber Bosch Verfahren Geschichte

Zuerst ein kleiner geschichtlicher Rückblick: Anfang des 20. Jahrhunderts war die Nachfrage nach Düngemitteln stark gestiegen, da die Weltbevölkerung und damit auch der Bedarf an Nahrungsmitteln infolge der Industrialisierung explosionsartig gewachsen ist. Für die Herstellung von Düngemitteln bedurfte man aber Ammoniak in sehr großem Maße, welches in der Natur aber nicht vorkommt. Die beiden deutschen Chemiker Fritz Haber und Carl Bosch lösten dieses Problem, indem sie Ammoniak NH_3 über das nach ihnen benannte Haber Bosch Synthese großtechnisch zugänglich machten. Ihre Leistung bestand vor allem darin, den sehr reaktionsträgen Stickstoff durch die Wahl einer geeigneten Temperatur und eines passenden Katalysators, hier Osmium, zu einer Reaktion zu bewegen.

Haber Bosch Verfahren Reaktionsgleichungen

Im Haber-Bosch Verfahren laufen mehrere Reaktionen ab, auch neben der erwarteten Reaktion von H_2 und N_2. In einem ersten Schritt muss man die beiden Reaktionspartner herstellen. Die Erzeugung von reinem Wasserstoff H_2 geht am günstigsten über die Herstellung von Synthesegas (Gemisch aus H_2 und CO).

Haber Bosch Verfahren Synthesegas Herstellung

Dieses Synthesegas ist zugänglich über die Reaktion von Wasserdampf und Methan CH_4. Die beiden Gase werden dabei über einen Nickeloxid (NiO)-Alumiumoxid (Al_2_O3) Katalysator geleitet, um die Ausbeute zu erhöhen.

CH_4(g)     +      H_2O(g)      \leftrightarrow  3H_2(g)      +      CO(g)

Da es sich hierbei um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, wird das Methan nicht komplett umgesetzt, wie bei einer irreversiblen Reaktion. Um die Ausbeute zu erhöhen, lässt man das übrige Methan in einem zweiten Schritt mit Sauerstoff zu CO und H_2 umsetzen.

2CH_4(g )   +      O_2(g)         \rightarrow       4H_2(g) + 2CO(g)

Oftmals nimmt man in diesem Schritt den Sauerstoff direkt aus der Luft, wodurch man dann auch gleich den Stickstoff in den Reaktor einfließen lassen kann ohne ihn vorher teuer aus dem Linde Verfahren gewinnen zu müssen.

Haber Bosch Verfahren Wassergas-Shift Reaktion

Da das CO ein stark gesundheitsschädliches Gas ist, muss man es, bevor man es rausfiltert, zu dem unbedenklicheren CO_2 abreagieren lassen. Ein weiterer Grund ist, dass Ammoniak NH_3 mit CO einen Feststoff bilden würde, der die Leitungen verstopft. Auch lässt sich CO_2 leichter aus dem Gasgemisch waschen als CO.

Dafür bedient man sich dem Wassergas-Shift Gleichgewicht, einer exothermen Umsetzung von CO mit H_2O, bei das Kohlenstoffmonoxid zu CO_2 oxidiert wird.

H_2O(g) + CO   \leftrightarrow  H_2(g) + CO_2(g)

Wenn man sich alle bisherigen Reaktionen genauer ansieht, erkennt man leicht, dass sie so gewählt sind, dass die Ausbeute an Wasserstoff maximal ausfällt. Der Grund dafür ist, dass dieses in der Produktion recht teuer ist, da alle Methoden nur einen geringen Energie-Wirkungsgrad haben, wie zum Beispiel die Elektrolyse von Wasser.

Das CO_2 lässt sich in einem anschließenden Schritt mithilfe von Triethanolamin rauswaschen, da dieses in seiner flüssigen Form recht stark bindet.

Haber-Bosch Verfahren Hauptreaktion

Im Hauptreaktor des Haber-Bosch-Verfahren befinden sich dann nur noch die beiden Reaktanden Wasserstoff H_2 und Stickstoff N_2. Die Reaktion zwischen den beiden läuft nach folgendem Schema ab:

3H_2 + N_2   \leftrightarrow       2NH_3

Da der Stickstoff aber recht unreaktiv ist, benötigt man einen Katalysator, um die Aktivierungsenergie der Reaktion herabzusetzen. Dadurch kann die Geschwindigkeit der Reaktion erhöht werden und damit die Ausbeute pro Zeit erhöht werden. Dafür wird aber längst nicht mehr Osmium verwendet, wie in dem ursprünglich konzipierten Prozess von Haber und Bosch. Sondern billigere und wirksamere Katalysatoren, die meistens eisenhaltig sind. Am häufigsten wird dabei Magnetit verwendet (Fe_3O_4). Dieses versetzt man oft noch mit weiteren Verbindungen, wie Aluminiumoxid (Al_2O_3), um die Wirksamkeit zu erhöhen.

Haber Bosch Verfahren, Hauptreaktion, Katalysator
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Haber Bosch Verfahren Katalysator

Haber-Bosch-Verfahren Bedingungen

Stickstoff ist jedoch ein sehr reaktionsträges Gas, das nur sehr langsam umgesetzt wird in einer Reaktion. Darum reicht es nicht, einfach nur Fe_3O_4 als Katalysator zuzusetzen, sondern man muss auch aktiv die Reaktionsbedingungen steuern, um eine wirtschaftlich lohnenswerte Ausbeute zu bekommen.

Haber Bosch Synthese Temperatur

Ein Parameter, der sich leicht im Reaktor beim Haber-Bosch Verfahren steuern lässt, ist die Reaktionstemperatur. Um zu verstehen, wie man damit die Lage des Gleichgewichts beeinflussen kann, muss man sich das Arrheniusgesetz für die Geschwindigkeitskonstanten einer Reaktion ansehen:

  k= A \cdot \exp {\frac {-E_a}{RT}}

k=Geschwindigkeitskonstante   A=Stoßfaktor   E_a=Aktivierungsenergie (positiver Betrag)

R=allgemeine Gaskonstante   T=Temperatur

Man erkennt, dass bei steigenden Temperaturen die Geschwindigkeit ebenfalls ansteigt und damit die Gleichgewichtskonzentrationen schneller erreicht werden. Jedoch muss man dabei im Hinterkopf behalten, dass die Reaktionsenthalpie negativ ist. (\delta H = -92,5 kj/mol) Dies spielt insofern eine Rolle, als dass die Gleichgewichtskonstante temperaturabhängig ist. Für exotherme Reaktionen wird nach der van’t Hoffschen Gleichung das Gleichgewicht bei steigenden Temperaturen weiter auf die Seite der Edukte wandern. Daher muss man einen Kompromiss schließen zwischen der Geschwindigkeit, mit der die Edukte umgesetzt werden, und der Gleichgewichtslage. Dabei hat man sich auf die Temperatur 450°C geeinigt, die eine maximal Ausbeute ermöglicht.

Haber Bosch Verfahren Druck

Der zweite Parameter, der leicht einstellbar im Reaktor ist, ist der Druck. Hier wird wieder nach dem Prinzip von Le Chatelier vorgegangen, das vereinfacht besagt: Das Gleichgewicht einer Reaktion verlagert sich bei Erhöhung des Drucks auf die Seite, auf der die Anzahl der Teilchen größer ist.

3H_2 + N_2   \leftrightarrow       2NH_3

Auf der linken Seite zählst du 4 Teilchen, auf der rechten dagegen nur 2. Daher würde sich nach dieser Regel vermehrt Ammoniak bilden, wenn man den Druck erhöht.

Quantitativ lässt sich das auch über das Massenwirkungsgesetz beschreiben. Dieses wird bei Gasreaktionen nicht über Konzentrationen, sondern über Partialdrücke beschrieben:

K= \prod {a^i} = \prod {p^i}= \frac {p_{NH_3}^2}{p_{N_2} \cdot p_{H_2}^3}

K = Gleichgewichtskonstante    a_i = Aktivität   i = stöchiometrischer Koeffizient    p = Partialdruck

Dabei sollte man beachten, dass die Gleichgewichtskonstante K nahezu druckunabhängig ist. Es handelt sich bei einer Druckänderung also nicht um eine Änderung der Gleichgewichtslage an sich, sondern um eine Auslenkung aus dieser. Diese Auslenkung erzeugt eine Triebkraft, die eine  Wiederherstellung des ursprünglichen Gleichgewichts anstrebt. Daher muss man, um die Reaktion hin auf die rechte Seite zu beschleunigen, den Partialdruck der Edukte zu erhöhen, bzw. konstant hoch zu halten, indem man sie ständig nachspeist. Dann nämlich ist das System konstant außerhalb der Gleichgewichtslage und versucht sie durch Reaktion zu Ammoniak wieder herzustellen.

Haber Bosch Verfahren Konzentration

Der letzte Einflussfaktor, mit dem man die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen kann, sind die Konzentrationen von Edukten und Produkten in der Reaktoratmosphäre. Auch hierbei kann man das Massenwirkungsgesetz heranziehen. Da Konzentrationen und Partialdrücke bei Gasreaktionen austauschbar sind, kann man es genauso aufstellen, wie vorher bei der Behandlung des Einflusses des Drucks:

K=  \frac {p_{NH_3}^2}{p_{N_2} \cdot p_{H_2}^3}

Die Herangehensweise ist sehr ähnlich wie zuvor beim Druck. Denn hierbei wird versucht, den Partialdruck des Produkts zu verringern, um eine Auslenkung aus der Gleichgewichtslage zu bewirken. Dann reagiert des Systems wie zuvor, nämlich durch verstärkte Reaktion auf die Produktseite hin, um den Partialdruckverlust wieder auszugleichen. Praktisch erzielt wird die Verringerung des Partialdrucks von Ammoniak, indem man das Gasgemisch in einem Kühler abkühlt und Ammoniak aufgrund seinem höheren Siedepunkt auskondensiert. Durch diesen Phasenübergang wird Ammoniak dem Gleichgewicht konstant entzogen und die nötige Triebkraft erzeugt.


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