Die Ammoniaksynthese

Chemische Reaktion Klasse 10

Warum arbeitet man beim Haber-Bosch-Verfahren mit hohem Druck?
Warum nicht mit möglichst niedriger Temperatur, wenn die Ausbeute dann besser wäre?

Schlau Fassung

Die Reaktion: \(\mathrm{N_2} + 3\,\mathrm{H_2} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{NH_3}\), exotherm. Links stehen vier Gasteilchen, rechts zwei.
Hoher Druck (etwa 200 bar) verschiebt das Gleichgewicht auf die Seite mit weniger Gasteilchen – also zum Ammoniak. Das folgt direkt aus Le Chatelier.
Der Zielkonflikt bei der Temperatur: Weil die Reaktion exotherm ist, wäre die Ausbeute bei niedriger Temperatur größer. Dort läuft sie aber viel zu langsam. Gewählt wird deshalb ein Kompromiss von etwa 450 °C – schlechtere Ausbeute, aber in brauchbarer Zeit.
Der Eisenkatalysator senkt die Aktivierungsenergie und macht diesen Kompromiss überhaupt erst tragfähig. Er verschiebt das Gleichgewicht nicht.
Ammoniak wird laufend abgeführt und auskondensiert; nicht umgesetztes Gas läuft zurück in den Kreislauf. Der Entzug des Produkts verschiebt das Gleichgewicht immer wieder neu.
Bedeutung: Aus Ammoniak entstehen Stickstoffdünger. Das Verfahren ernährt einen großen Teil der Weltbevölkerung – und verbraucht zugleich einen erheblichen Anteil der weltweit erzeugten Energie.

Warum verbessert hoher Druck die Ausbeute?
Lösung
Rechts stehen weniger Gasteilchen (2 statt 4); Druck verschiebt dorthin.
Begründe die Wahl von 450 °C, obwohl kühler besser wäre.
Lösung
Bei niedriger Temperatur läuft die Reaktion zu langsam; der gewählte Wert ist ein Kompromiss aus Ausbeute und Geschwindigkeit.
Welche Rolle spielt das Abführen des Ammoniaks?
Lösung
Der Produktentzug verschiebt das Gleichgewicht erneut auf die Produktseite und erhöht die Gesamtausbeute.

Diskutiert in der Klasse Nutzen und Kosten des Verfahrens: Welternährung gegenüber Energieverbrauch, Überdüngung und Nitrat im Grundwasser.