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Vom ersten Mineraldünger zu sauberer Luft

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100 Jahre Ammoniaksynthese: vom ersten Mineraldünger zu sauberer Luft

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Rosa, Finn - Konstruktion des Ammoniakofens nach Carl Bosch

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Rosa, Finn - Konstruktion des Ammoniakofens nach Carl Bosch

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Der Ammoniakofen dient zur Ammoniaksynthese und wurde 1905 bis 1913 durch den deutschen Chemiker Fritz Haber und den Ingenieur Carl Bosch entwickelt.

Aufbau:

Kompressor: Stickstoff und Wasserstoff wird auf den notwendigen Druck komprimiert. Heute werden dafür Turbokompressoren verwendet, welche mit einer Dampfturbine angetrieben werden

Gasreiniger: sorgt dafür, dass das Gasgemisch nicht durch Schwefelverbindungen oder Kohlenmonoxid verunreinigt wird.

Kontaktofen: dort läuft die eigentliche Reaktion ab. Das heißt Stickstoff reagiert mit Wasserstoff zu Ammoniak. Unter Druck wird das Gasgemisch in einem zylinderförmigen und Druckfesten Reaktionsrohr auf bis zu 530°C erhitzt. Trotz optimaler Reaktionsbedingungen reagieren nur etwa 20% der Ausgangsstoffe zu Ammoniak.

Die Anlage besteht aus besonderem Material, da gewöhnlicher Stahl zwar dem hohen Druck standhält nicht aber dem chemischen Angriff des Wasserstoffs (weil der Wasserstoff mit dem im Stahl enthaltenen Kohlenstoff reagieren würde). Dadurch könnte der Stahlmantel instabil werden und durch den Hohen Gasdruck platzen. Daher entwickelte Bosch ein doppelwandiges Reaktionsrohr. Das Innenrohr besteht aus Kohlenstoffarmen, reinem Eisen und die Außenwand aus Stahl, damit das Reaktionsrohr an Festigkeit gewinnt.

Katalysator: Das Gasgemisch strömt durch den Katalysator und reagiert zu Ammoniakgas. Der Katalysator Ferrit (α-Eisen) entsteht im Reaktor durch die Reduktion von Magnetit mit Wasserstoff. Dieser ist ab Temperaturen von etwa 400 bis 500°C optimal wirksam.

Kühler: Heißes Ammoniakgas wird abgekühlt. Dies geschieht in mehreren Stufen. Dabei kommt es zu einem Wärmeaustausch mit Kühlwasser und dem schon abgekühlten Gas

Abscheider: dort wird das Ammoniakgas von den Ausgangstoffen (Wasserstoff und Stickstoff), die nicht an der Reaktion teilgenommen haben getrennt. Die nicht umgesetzten Gasreste werden an der Stelle vor dem Kontaktofen wieder in das System eingeführt.

Bildquelle:

https://www.seilnacht.com/Lexikon/HaberBo.htm

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-> Haber-Bosch-Verfahren

Reaktionsgleichung:
N₂ (g) + 3 H₂ (g)   ⇌ 2 NH₃ (g)     ΔH R= - 92 kJ/mol

Reaktionsbedingungen:
damit am meisten Ammoniak gebildet wird

Die Temperatur darf maximal 530 °C betragen.

Es wird bei einem Druck von 200 bis 300 Bar gearbeitet.

Es wird ein Katalysator aus porösem α-Eisen mit bestimmten Zusätzen verwendet.

Stickstoff wird im Überschuss zugegeben.

Gründe für die entsprechenden Reaktionsedingungen:

Hohe Temperaturen verringern nach dem Prinzip von Le Chatelier die Ausbeute.

Durch Erhöhung des Drucks lässt sich das Gleichgewicht wieder nach rechts verschieben, die Ausbeute erhöht sich.

Ohne Katalysator wären zur Aktivierung 1000 °C notwendig, mit Katalysator erhält man auch bei Temperaturen zwischen 400 und 500 °C eine akzeptable Ausbeute.

Stickstoff im Überschuss erhöht die Ausbeute.

Erst wenn alle vier Reaktionsbedingungen gleichzeitig vorliegen, ist die Ammoniak-Ausbeute optimal.

Massenwirkungsgesetz:

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Grund dafür, dass Fritz Haber auf die Liste der Kriegsverbrecher gesetzt wurde 

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Grund dafür, dass Fritz Haber auf die Liste der Kriegsverbrecher gesetzt wurde 

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Der Chemiker Fritz Haber erforschte in den Jahren 1904 bis 1908 die Grundlagen der Ammoniaksynthese. 1919 wurde ihm dann der Nobelpreis für Chemie verliehen. Englische und französische Wissenschaftler waren allerdings empört, da sie ihn als Kriegsverbrecher betrachtet hatten. Das liegt daran, dass er sich bei Kriegsausbruch freiwillig als wissenschaftlicher Berater im Kriegsministerium mit Forschung zur Einsparung bzw. Herstellung von Explosivstoffen meldete. Da unter seiner Leitung die deutsche Gastruppe formiert wurde und erstmals Giftgas als Massenvernichtungswaffe verwendet wurde, nennt man ihn auch "Vater des Gaskriegs". Die Verwendeten Gase als Kriegswaffe waren Chlor und Phosgen.
Nicole-Sarah

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Zusammenhang zur sehr großen politischen Bedeutung 

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Zusammenhang zur sehr großen politischen Bedeutung 

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Das Verfahren zu Gewinnung von Ammoniak hatte im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts eine sehr große politische Bedeutung.
Die Synthese hatte sehr große Nutzen im ersten Weltkrieg als Massenvernichtungswaffe, also als Sprengstoff.  Da die Alliierten die Versorgung Deutschlands mit Salpeter aus Chile blockierten, welches für die Munitionsproduktion notwendig war. Haber arbeitete anfänglich für die Kriegsrohstoffabteilung, wo er für die Ammoniaksynthese verantwortlich war. Ohne ihn beziehungsweise sein Wissen und seine Arbeit hätte Deutschland vielleicht schon lange vor 1918 kapitulieren müssen. Die Ammoniaksynthese war also der Grund dafür, dass sie im Krieg so lange durchgehalten haben
Nicole-Sarah

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Um 1900 erkannte man die Bedeutung einer ausreichenden Versorgung der Pflanzen mit gebundenem Stickstoff, Phosphor und Kalium für ihr Wachstum. Früher erfolgte die Nährstoffzufuhr durch organische Düngung (Stallmist und Pflanzenabfälle). Da durch die schnell wachsende Bevölkerung mehr Nahrung produziert werden musste, mussten die Ernteerträge gesteigert werden. Der Boden musste zusätzlich mit mineralischen Düngern versetzt werden. Ab 1830 wurde Nitrat und Stickstoff aus den begrenzten Lagerstätten in Chile als Dünger verwendet. Andere Lagerstätte gab es nicht. Dank dem Haber-Bosch-Verfahren war es möglich Stickstoff Düngemittel in großen Mengen herzustellen. Dabei wird der Stickstoff aus der Luft entnommen. Der für die Reaktion nötige Wasserstoff wird heute meist durch die partielle (unvollständige) Oxidation  von Erdgas erschlossen.

Die Möglichkeit, Ammoniak synthetisch herzustellen, gilt als eine der größten Errungenschaften der Chemie im letzten Jahrhundert

Quellen:

https://www.basf.com/global/de/who-we-are/organization/locations/europe/german-sites/ludwigshafen/gesellschaftliches-engagement/woran-wir-arbeiten/education/angebote-7-13/unterrichtsmaterialien/Ammoniaksynthese.html

https://www.chemie.de/lexikon/Haber-Bosch-Verfahren.html

https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie-abitur/artikel/verwendung-von-ammoniak

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Die Bedeutung der Ammoniaksynthese (Celia)

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Die Bedeutung der Ammoniaksynthese (Celia)

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Geschichte:
Ab 1900 gibt es einen starken Anstieg der Weltbevölkerung und somit muss auch mehr Nahrung produziert werden um jeden ernähren zu können. Es droht eine Hungerkatastrophe. Es gibt nicht mehr genügend Stickstoff, der als wichtiger Bestandteil von Düngermittel dient. In der Luft ist zwar reichlich Stickstoff vorhanden, jedoch gibt es noch keine Methoden diesen in eine chemische Verbindung zu bringen. Verschiedene Wissenschaftler probierten mit Methoden aus der Luft eine verlässliche Stickstoffquelle zu machen.

so stellten zunächst Fritz Haber und Walther Nernst die chemische Reaktionsgleichung auf.
Dann fand Alwin Mittasch die passenden Katalysatoren.
Zusammen mit der BASF konnten Fritz Haber und Walther Bosch schließlich den technischen Vorgang der Synthese realisieren.

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Aufgabe 6a

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Bei Zimmertemperatur läuft die Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak nicht merklich ab

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Aufgabe 6b

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Düngemittel dienen als Nährstoffe für Pflanzen, dessen Wurzel mit Salzen, in denen unter anderem Stickstoff vorkommt, versorgt werden müssen. Diese helfen wiederum den Pflanzen beim Stoffwechsel, Aufbau von Eiweißen, Enzymen und Chlorophyll.
Wenn Pflanzen jedoch geerntet werden, so werden ihnen
Nährstoffe entzogen. Deswegen ist es wichtig, dass Düngemittel Ammoniak besitzen.

Es stellt sich die Frage warum die Pflanzen nicht einfach den
Stickstoff aus der Luft nehmen, wenn diese doch zum größten Teil aus diesem besteht?
Das Problem ist das nur sehr wenige Pflanzen den Stickstoff
als "rohen" Stoff verarbeiten können, da dieser eine stabile
Dreifachbindung besitzt.

Die meisten Pflanzen können diese nicht aufbrechen und brauchen ihn deswegen direkt in einer Verbindung. Das heißt bevor der Stickstoff von den Pflanzen verarbeitet werden
kann muss die Dreifachbindung aufgebrochen werden und Wasserstoff angelagert werden.

Stickstoffmolekül:

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Die Bedeutung von Ammoniak heute (Celia)

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Die Bedeutung von Ammoniak heute (Celia)

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80% des synthetisierten Ammoniaks laufen in die Produktion von Düngemitteln. Die restlichen 20% in Farben, Sprengstoffe, Kunststoffe oder auch Medikamente. Auch heute könnte ohne Dünger, in dem Ammoniak enthalten ist, die Hälfte der Weltbevölkerung nicht ernährt werden.
Da immer mehr Fläche der Erde durch wachsende Bevölkerungszahlen versiegelt wird, muss die vorhandene Fläche möglichst effektiv genutzt werden. Das heißt es muss SCHNELLER produziert werden. Das kann durch die Dünger erreicht werden.
Bsp: aus 1kg Dünger entsteht 12kg Getreide.

China ist das Land , dass am meisten Ammoniak weltweit produziert (28%), ganz Europa hingegen produziert nur 16%.

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Auch als Lachgas bekannt.

Bedeutung:

Medizin: wird als analgetisch (gegen den Schmerz) wirkendes Gas zu Narkosezwecken benutzt

Nahrungsmitteltechnik:wird aufgrund seiner sterilisierenden Wirkung als Treibgas benutzt

Drogenszene: findet  wegen seiner halluzinogenen Wirkung und der leichten Verfügbarkeit (Druckgaskapseln für Schlagsahne) Verwendung

Antriebstechnik: wird (im Jargon Nitro genannt) zur Steigerung der Motorleistung von Ottomotoren verwendet, da es mehr Sauerstoff enthält als Luft

Raketentechnik: wird in Hybridraketen wie dem SpaceShipOne, als Oxidator eingesetzt.

Reaktionsgleichung:

Die Herstellung erfolgt durch kontrollierte thermische Zersetzung von Ammoniumnitrat NH₄NO₃

NH 4 NO 3 ---> N ₂ 0 + 2H ₂ O

oder durch Reaktion von Ammoniak mit Salpetersäure.

Die Temperatur darf bei beiden Darstellungswegen jedoch nicht höher als 300 °C steigen, da es sonst zu einem explosiven Zerfall von Ammoniumnitrat kommen kann.

Von Orla

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von Henri Hallmann

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Bedeutung:

Harnstoff ist der wichtigste Stickstoffdünger (Anteil über 50%).

Grundlage für die Synthese von Melamin, Barbitursäure, Coffein, Hydrazin und weiteren Chemikalien.

Lässt sich als Stickstoffquelle für die Bildung von Proteinen nutzen In der Ernährung von Wiederkäuer

Reaktionsgleichungen:

Die technische Herstellung erfolgt aus Ammoniak und Kohlenstoffdioxid unter Druck bei 200°C)

2NH ₃+CO ₂---->[H ₂ N-C-O]NH 4

Ammoniak und Kohlenstoffdioxid reagieren zu Ammoniumcarbamat.

[H ₂ N-CO-O]NH ₄----->H ₂ N-CO-NH ₂+H ₂ O

Ammoniumcarbamat reagiert zu Harnstoff und Wasser.

von orla

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Jedoch darf nicht vergessen werden, dass die Ammoniaksynthese auch gefahren bürgen kann. Dies ist abhängig von der Konzentration und der Dauer mit der man mit Ammoniak in Kontakt ist. Dies kann von belästigendem Geruch, über kräftigem Husten und Reizungen der Schleimhäute und Augen, bis zu Todesgefahr reichen.

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Wird seit 1908 nach dem Ostwaldverfahren technisch hergestellt, wobei es sich um die katalytische Oxidation von Ammoniak handelt.

Bedeutung:

Eine der wichtigsten Säuren der chemischen Energie

Wird hauptsächlich zur Herstellung von Stickstoffdüngemitteln verwendet

Dient als Ausgangsstoff für die Synthese von Sprengstoff, Kunststoffen und Chemiefasern eingesetzt

Wird zum Beizen von Metallen eingesetzt

Reaktion:

1.  Ammoniak-Luft-Gemisch wird rasch durch heiße Platin-Rhodium-Netze (Katalysator) geleitet

2.  Bei 800 °C entsteht Stickstoffmonoxid,

3. Abkühlen: reagiert mit überschüssigem Sauerstoff zu Stickstoffdioxid und dann in Rieseltürmen mit Wasser zu etwa 60%iger Salpetersäure

4. Diese kann durch Destillation bis 68 % konzentriert werden, was dem Azeotrop mit Siedepunktmaximum (122 °C) entspricht.

Höhere Konzentrationen lassen sich durch Entwässerung mit Schwefelsäure (H₂SO₄) oder mit wässriger Magnesiumnitrat-Lösung (Mg(NO₃)₂) oder durch Behandlung von Distickstofftetroxid (N₂O₄) mit der stöchiometrisch nötigen Menge von Sauerstoff (bzw. Luft) und Wasser erreichen.

Von orla