Die Ammoniaksynthese

Stickstoff (N) ist ein sehr wichtiges Element, denn ohne Stickstoff gäbe es kein Leben. Aus Stickstoff bestehen zum Beispiel Proteine und auch die DNA. Die Böden die Stickstoff enthalten und dies an die Pflanzen weitergeben regenerieren sich nur langsam und vor allem werden die Pflanzen meistens geerntet und an einen anderen Ort gebracht (z.B. Gemüse). Dadurch wird der Kreislauf gestört und man versucht nun den Kreislauf mit Dünger zu vervollständigen. Dünger besteht aus Stickstoff, Phosphorverbindungen und Kalium, wobei Stickstoff den grössten Teil (ca. 56%) ausmacht.

Stickstoffreaktionsgleichung

(N₂ (g)) + (3H₂ (g)) ⇌ (2NH₃ (g))

ΔH < 0, günstig (eine exotherme Reaktion) ΔS < 0 ungünstig (4 Teilchen zu 2 grossen Teilchen)

Optimierung des Vorganges (theoretisch)

- Temperatur tief halten damit sich das Produkt am Ende nicht mehr teilen will. Aber Achtung auch die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt proportional zur Temperatur ab. Hier muss ein Kompromiss gefunden werden.

- Druckerhöhung führt zu einer Flucht auf die Seite mit der geringeren Dichte. In diesem Experiment die Seite mit den grossen Atomen (hier: Produkte) kann leichter komprimiert werden. Das Gleichgewicht wandert also auf die rechte Seite.

- Konzentration kann beeinflusst werden mit hinzugeben oder wegnehmen von Edukten beziehungsweise Produkten. Da Ammoniak einen tieferen Schmelzpunkt hat als die Edukte kann schon mit abkühlen ein Trennung erzeugt werden. Ammoniak hat die Eigenschaft von Wasserstoffbrücken und kann sich verflüssigen. Die Flüssigkeit kann dann leicht entfernt werden.

Fritz Haber (1868-1934)

Fritz Haber war ein Preusse der die Ammoniak-Synthese vor dem ersten Weltkrieg entwickelte. Haber gewann den Nobelpreis 1918 dafür weil damit Dünger hergestellt werden kann. Doch Haber entwickelte die Synthese, weil die Deutschen unter einem Lieferstopp von Ammoniakdünger litten. Denn dies wird auch zum Bau von Bomben verwendet. Haber, der Patriot, entwickelte also die Synthese um den Deutschen im Krieg zu helfen. Er erzeugte auch Chlorgas um den Grabenkämpfen ein Ende zu bereiten doch der Einsatz galt als unehrenhaft. Da er sozusagen den Gaskrieg im 1. Weltkrieg startete, machte seine Frau Selbstmord. Nach dem Krieg, den Deutschland bekanntlich verlor entwickelte er eine Methode um Gold aus dem Meer zu filtern damit die Deutschen ihre Kriegsschulden bezahlen konnten. Zu Beginn der Nazizeit wurde er weggejagt weil er Jude war.

AmmoniakSynthese

Technische Apekte der Ammoniak-Synthese

ΔH < 0, günstig (eine exotherme Reaktion) ΔS < 0 ungünstig (4 Teilchen zu 2 grossen Teilchen)

Strategie

- Temperatur möglichst tief - Druck möglichst hoch

Probleme

- Es braucht ein ziemlich hohe Aktivierungsenergie um die 3-fach Bindung von Stickstoff zu lösen - Druck zu erzeugen kostet Geld und das Unfallrisiko wird erhöht.

Lösung

Man hat dann den „optimalen“ Kompromiss bei 500°C und 200 Bar gefunden. Doch auch dies dauerte noch 40 Minuten. Haber löste das Problem indem er einen Katalysator fand. Er war nicht genial und wusste was er nehmen musste, sondern er war fleissig und machte an die 50‘000 Versuche und fand schliesslich Eisen als Katalysator. Der genaue Katalysator ist hochreines Eisen mit Spuren von Kalium, Calcium, Aluminiumoxide. Diese schwächen die Bindungen der Edukte, es entstehen sogar neue Bindungen, und es braucht dann weniger Aktivierungsenergie.

Verwendung Ammoniak

80% wird für Dünger verwendet 20% wird für Farben, Lacke, Medikamente, Sprengstoff, Kunstfasern und Kunststoffe verwendet. Umwandlung von Ammoniakalischem Stickstoff zu Nitrostickstoff Ammoniakalischer Stickstoff : N mit H verbunden (NH₃) Nitrostickstoff : N mit O verbunden (NO₃ ) Nitrostickstoff wird für Medikamente und Sprengstoff verwendet.

Das Ostwald-Verfahren

Das Ostwaldverfahren dient der Herstellung von Salpetersäure durch Oxidation von Ammoniak

1. Schritt

(4 NH₃) + (5o₂) → (4NO) + (6H₂O)

ΔH > 0 eher ungünstig ΔS > 0 günstig, da Anzahl Teilchen zunimmt Entfernung des Wasser sehr wichtig um eine Rückreaktion zu minimieren

2. Schritt

(2NO) + (O₂) → (2NO₂)

ΔH < 0 günstig, Sauerstoff ist reaktiv ΔS < 0 eher ungünstig, wegen der Bildung eines grossen Atomes

3. Schritt

(4NO₂) + (2H₂O) + (O₂) → (4HNO₃)

ΔH < 0 günstig ΔS < 0 ungünstig wegen Aggregatszustandsänderung

Herstellung von Dünger

Ammoniaksynthese

Das Wasserstoffelektron wird von den Sauerstoffatomen in Salpetersäure so stark angezogen, dass der Kern wie nur noch am Ende dranhängt. Der Abstand H-Elektron zu H-Kern ist so gross geworden, dass nur noch schwache Anziehungskräfte vorhanden sind. Beim Zusammenstoss von Ammoniak und Salpetersäure hat die nichtgebunden Elektronenwolke von Ammoniak eine grössere Anziehungskraft zum Wasserstoffproton als das Wasserstoffelektron zum eigenen Kern. Sind beide Moleküle zusammengestossen ist eine homogene Trennung, ganzes Atom mit Elektron, energieaufwändiger als die Trennung von Wasserstoffkern und Wasserstoff Elektron. Deshalb „klaut“ Ammoniak das Wasserstoffproton. Warum streut man nicht einfach Ammoniak und Salpetersäure auf das Feld ? Die Säure (Salpetersäure) und Base (Ammoniak) werden nicht nur der Pflanze helfen sondern mit allem reagieren, das sie berühren. Was toxikologisch problematisch ist.

Nitrat und Nitrit in Lebensmittel

Wie kommen sie in die Nahrung? - Durch das Trinkwasser, da die Humusschicht zu dünn ist um die sehr gut wasserlöslichen Dünger aufzuhalten. Somit sickert der Dünger geradewegs in das Grundwasser. (Es ist aber nicht schlecht das Dünger wasserlöslich ist, denn so können es die Pflanzen am besten aufnehmen.) - Gemüse kann viel Nitrat enthalten, vor allem im Winter. Denn mit wenig Licht und wenig Erde muss man viel mehr Dünger geben um das gleiche Resultat (Aussehen) zu erhalten wie im Sommer. Doch dabei wird sich eine beträchtliche Menge im Gemüse ablagern.

Wirkung von Nitrat

Nitrat alleine ist nicht so gefährlich, doch im Kontakt mit Speichel, wovon der Mensch 3-4 Liter am Tag produziert, wandelt sich Nitrat (NO₃^-) in Nitrit (NO₂^-) um. Nitrit ist giftig und reagiert mit Hämoglobin (Fe²⁺) (rote Blutkörperchen) zu Methämoglobin (Fe³⁺). Dieses Methämoglobin kann keinen Sauerstoff transportieren wie die roten Blutkörperchen was dazu führt das der Sauerstofftransport im Körper gestört ist. Zum Glück besitzt der Mensch Reparaturmechanismen, die das durch die Reaktion entstandene Problem aufräumen. Säuglinge jedoch besitzen diese Mechanismen noch nicht und ist auch ihr fötales Hämoglobin reaktiver als das erwachsene, deshalb sind sie viel stärker anfällig auf zu viel Nitrat. Dieser Sauerstoffmangel erzeugt eine bläuliche Färbung und wird deshalb auch Blausucht genannt. Nitrit kann aber auch noch auf eine andere Art gefährlich werden. In Verbindung mit Adenin entstehen krebserregende Nitrosamine. Da Adenin im Bauplan, DNA, vorkommt, können bei der Replikation Fehler entstehen. Dies kann zu einem Tumor führen. Denn Tumore sind Zellen die nicht aufhören sich zu Teilen, sprich wissen nicht wann genug geteilt ist. Von Krebs spricht man wenn sich die Zellen auch noch zum unendlichen Teilen im ganzen Körper verteilen.

Nitrit in der Nahrung

Nitrit wird doch all den vorher genannten negativen Punkten in Pökelsalz verwendet. Es verhindert die Braunfärbung bei älterem Fleisch, somit sieht das Fleisch immer schön rot und appetitlich aus.

Zusammenfassung: Video (Simple Club)

Am Anfang werden die zwei Erfinder der Ammoniaksythese vorgestellt. Danach wird der genaue Prozess veranschaulicht. Schlussendlich wird noch gesagt, für was Ammoniak verwendet werden kann und wieso es nützlich ist.

Merke:

• Wie im Video gezeigt wird, ist die Anzahl Teilchen bei der Ammoniaksythese auf der Seite der Produkte niedriger als bei den Edukten, da aus 4 Teilchen 2 werden.

Jedoch wird im Video nicht erwähnt, dass eine solche Änderung die Entropie beeinflusst und die Entropie somit ungünstig ist, da die Teilchenanzahl von links nach rechts sinkt.

• Im Video wird außerdem erwähnt, dass für die Ammoniaksythese ein Katalysator verwendet wird. Wie wir wissen, wird ein Katalysator bei der Erhöhung der Temperatur beschleunigt, was bei einer Ammoniaksynthese nicht getan werden darf, da sich bei einer Erhöhung der Temperatur das Gleichgewicht nach links verlagern würde und dies würde schliesslich zu einer Rückreaktion führen.
• Tiefe Temperatur sorgt für langsame Reaktion aber die Reaktion wäre dafür im Gleichgewicht
• Jetzt kommt der Druck ins Spiel. Im Video wird gesagt, dass ein Druck von 300 Bar verwende wird, im Unterricht haben wird aber von 200 Bar gesprochen. So steht es auch im Wiki.
• Die Druckerhöhung, so wie wir es im Unterricht besprochen haben, sorgt dafür, dass das chemische Gleichgewicht zur Seite mit der ungünstigen Entropie flieht, da es dort mehr Platz hat.
• Im Video wird erwähnt, dass H2 sowie N2 am Katalysator absorbiert werden.
• Achtung! Das Ostwald Verfahren wird nicht im Video beschrieben. Das Haber-Bosch-Verfahren ist nicht mit dem Ostwald-Verfahren zu verwechseln. Das Ostwald-Verfahren, wie wir im Unterricht gelernt haben, dient der Herstellung von Salpetersäure durch Oxidation von Ammoniak und dieser wird aus dem Haber-Bosch- Verfahren gewonnen.
• Außerdem wird erwähnt, dass Ammoniak zur Düngerherstellung verwendet wird, jedoch wird der Prozess der Herstellung weggelassen.

Nützliches: Dieses Video beschreibt den Prozess der Ammoniaksythese sehr genau, jedoch etwas komplizierter, als dass es im Unterricht besprochen wurde.

Weblinks

• Simple Club Video