Synthesegas, Ammoniak und Methan
Auf den Feldern in NRW wird jedes Frühjahr gedüngt, damit Weizen, Zuckerrüben und Mais genug Stickstoff bekommen. Die Luft besteht zu etwa 78 % aus Stickstoff, aber die Pflanzen können ihn so nicht nutzen. Wie macht die chemische Industrie, zum Beispiel im Chempark am Rhein, aus Luft und Erdgas einen Dünger? Das klären wir in diesem Abschnitt, und am Ende kommen wir darauf zurück.
Ammoniak und das Haber-Bosch-Verfahren
Stickstoff ($\mathrm{N_2}$) ist sehr reaktionsträge. Die Dreifachbindung zwischen den beiden Stickstoffatomen ist so stabil, dass sich die Pflanzen den Stickstoff aus der Luft nicht holen können. Sie brauchen Stickstoff in Verbindungen wie Ammoniumsalzen oder Nitraten.
Der Ausgangsstoff dafür ist Ammoniak $\mathrm{NH_3}$. Fritz Haber und Carl Bosch entwickelten dazu vor gut 100 Jahren die großtechnische Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren):
$$\mathrm{N_2 + 3\,H_2 \rightleftharpoons 2\,NH_3}$$Die Edukte sind Stickstoff und Wasserstoff, das Produkt ist Ammoniak. Der Doppelpfeil $\rightleftharpoons$ bedeutet: Die Reaktion läuft in beide Richtungen ab (dazu mehr im Abschnitt „Bedingungen“). Als Katalysator verwendet man im technischen Verfahren Eisen.
Ammoniak ist ein stechend riechendes Gas. Es wird vor allem für Düngemittel verwendet (zum Beispiel Ammoniumnitrat), außerdem für Kunststoffe, Sprengstoffe und Reinigungsmittel.
Bei der Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren) reagieren Stickstoff und Wasserstoff: $\text{N}2 + 3\ \text{H}2 \rightleftharpoons 2\ \text{NH}3$. a) Nenne die Edukte…
Bei der Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren) reagieren Stickstoff und Wasserstoff: $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightleftharpoons 2\ \text{NH}_3$.
- a) Nenne die Edukte und das Produkt mit Namen.
- b) Gib an, welchen Katalysator man im technischen Verfahren verwendet.
- c) Nenne zwei Verwendungen von Ammoniak.
Synthesegas und Methan
Den Wasserstoff für die Ammoniaksynthese gewinnt man meist aus Erdgas. Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan $\mathrm{CH_4}$. Methan wird auch zum Heizen und Kochen verwendet.
Bei hoher Temperatur reagiert Methan mit Wasserdampf zu Synthesegas. Das ist ein Gemisch aus Kohlenstoffmonooxid ($\mathrm{CO}$) und Wasserstoff ($\mathrm{H_2}$):
$$\mathrm{CH_4 + H_2O \longrightarrow CO + 3\,H_2}$$Aus Synthesegas lassen sich wichtige Industrierohstoffe herstellen. Wasserstoff liefert den Rohstoff für Ammoniak. Mit weiterem Wasserstoff und einem Katalysator entsteht Methanol $\mathrm{CH_3OH}$:
$$\mathrm{CO + 2\,H_2 \longrightarrow CH_3OH}$$Umgekehrt kann man aus Synthesegas auch Methan herstellen:
$$\mathrm{CO + 3\,H_2 \longrightarrow CH_4 + H_2O}$$Synthesegas ist ein Gemisch aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff. a) Gib die Formeln der beiden Bestandteile an. b) Methan reagiert mit Wasserdampf zu…
Synthesegas ist ein Gemisch aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff.
- a) Gib die Formeln der beiden Bestandteile an.
- b) Methan reagiert mit Wasserdampf zu Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff. Gleiche die folgende, noch nicht ausgeglichene Reaktionsgleichung aus: $\text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2$.
Methan kann aus Synthesegas hergestellt werden: $\text{CO} + \text{H}2 \rightarrow \text{CH}4 + \text{H}2\text{O}$ (nicht ausgeglichen). a) Gleiche die…
Methan kann aus Synthesegas hergestellt werden: $\text{CO} + \text{H}_2 \rightarrow \text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O}$ (nicht ausgeglichen).
- a) Gleiche die Reaktionsgleichung aus.
- b) Nenne den Hauptbestandteil von Erdgas und eine Verwendung.
Der Wasserstoff für die Ammoniaksynthese wird aus Methan und Wasserdampf gewonnen: $\text{CH}4 + \text{H}2\text{O} \rightarrow \text{CO} + 3\ \text{H}2$. a) Zeige, dass…
Der Wasserstoff für die Ammoniaksynthese wird aus Methan und Wasserdampf gewonnen: $\text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + 3\ \text{H}_2$.
- a) Zeige, dass die Gleichung ausgeglichen ist, indem du die Atomanzahlen auf beiden Seiten vergleichst.
- b) Gib das Teilchenzahlverhältnis $N(\text{CH}_4) : N(\text{H}_2)$ an.
- c) Beschreibe, wie sich Synthesegas für die Herstellung von Methanol $\text{CH}_3\text{OH}$ nutzen lässt: $\text{CO} + 2\ \text{H}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{OH}$. Prüfe, ob diese Gleichung ausgeglichen ist.
Volumenverhältnisse bei Gasreaktionen
Die Koeffizienten in der Reaktionsgleichung geben das Verhältnis der Teilchenzahlen an. Bei Gasen gilt außerdem: Gleiche Volumina verschiedener Gase enthalten bei gleicher Temperatur und gleichem Druck gleich viele Teilchen (Satz von Avogadro).
Damit gelten die Koeffizienten auch als Volumenverhältnis. Das kennst du schon von der Wasser-Elektrolyse, bei der $\mathrm{H_2}$ und $\mathrm{O_2}$ im Verhältnis $2:1$ entstehen.
Für die Ammoniaksynthese gilt $\text{N}2 + 3\ \text{H}2 \rightleftharpoons 2\ \text{NH}3$. a) Wie viele Liter Wasserstoff werden für $10\ \text{L}$ Stickstoff benötigt,…
Für die Ammoniaksynthese gilt $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightleftharpoons 2\ \text{NH}_3$.
- a) Wie viele Liter Wasserstoff werden für $10\ \text{L}$ Stickstoff benötigt, wenn alle Gase bei gleicher Temperatur und gleichem Druck vorliegen?
- b) Wie viele Liter Ammoniak entstehen bei vollständigem Umsatz?
- c) Erkläre, warum das Gesamtvolumen abnimmt.
Bedingungen im technischen Verfahren
Im Fachraum Chemie würde man Stickstoff und Wasserstoff mischen und feststellen: Es passiert nichts. Die Teilchen müssen beim Zusammenstoß genug Energie haben, damit sich die Bindungen lösen. Diese Mindestenergie nennt man Aktivierungsenergie. Ein Katalysator senkt sie.
In der Technik arbeitet man bei etwa $400$ bis $500\ ^\circ\mathrm{C}$, bei hohem Druck (etwa 200 bar) und mit Eisen als Katalysator. Dafür gibt es drei Gründe:
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Katalysator: Er senkt die Aktivierungsenergie, die Reaktion läuft viel schneller ab.
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Hohe Temperatur: Die Teilchen bewegen sich schneller und stoßen häufiger und energiereicher zusammen. Bei Raumtemperatur wäre die Reaktion selbst mit Katalysator viel zu langsam.
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Hoher Druck: Aus 4 Teilchen werden 2. Hoher Druck begünstigt die Seite mit weniger Teilchen, also den Ammoniak.
So stellst du dir die Wirkung des Katalysators im Teilchenmodell vor: Damit eine Reaktion abläuft, müssen Teilchen zusammenstoßen und dabei mindestens die Aktivierungsenergie mitbringen. Nur dann lösen sich die alten Bindungen und neue entstehen. An der Oberfläche des Eisens werden die Teilchen gebunden und geschwächt, sodass der Weg über einen „Berg“ mit geringerer Energie führt. Dadurch haben bei gleicher Temperatur viel mehr Zusammenstöße genug Energie, und die Reaktion läuft schneller ab.
Die Reaktion ist exotherm: Sie gibt Energie ab. Bei sehr hohen Temperaturen zerfällt Ammoniak aber wieder in Stickstoff und Wasserstoff. Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig ab, es stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein. Deshalb wird nur ein Teil der Edukte zu Ammoniak umgesetzt. Man kühlt das Gasgemisch, der Ammoniak wird flüssig und kann abgetrennt werden. Stickstoff und Wasserstoff, die nicht reagiert haben, führt man im Kreislauf zurück in den Reaktor.
Bei der Ammoniaksynthese wird bei etwa $400\ \text{bis}\ 500\ ^\circ\text{C}$ und hohem Druck gearbeitet; der Katalysator besteht aus Eisen. a) Erkläre, welche Aufgabe…
Bei der Ammoniaksynthese wird bei etwa $400\ \text{bis}\ 500\ ^\circ\text{C}$ und hohem Druck gearbeitet; der Katalysator besteht aus Eisen.
- a) Erkläre, welche Aufgabe der Katalysator hat.
- b) Erkläre, warum man nicht einfach bei Raumtemperatur arbeitet.
- c) Erkläre, warum sich der Stickstoff und der Wasserstoff nicht vollständig zu Ammoniak umsetzen und warum man das nicht umgesetzte Gas im Kreislauf zurückführt.
Rechnen mit Stoffmengen
Man kann Teilchen nicht einzeln abzählen, deshalb gibt man die Teilchenmenge als Stoffmenge $n$ in mol an. Die molare Masse $M$ in $\mathrm{g/mol}$ steht für jedes Element im Periodensystem. Es gilt:
$$n = \frac{m}{M}$$Die Koeffizienten der Reaktionsgleichung geben auch das Verhältnis der Stoffmengen an.
Ammoniak ist Rohstoff für Düngemittel wie Ammoniumnitrat $\text{NH}4\text{NO}3$. Die Gleichung für die Neutralisation lautet…
Ammoniak ist Rohstoff für Düngemittel wie Ammoniumnitrat $\text{NH}_4\text{NO}_3$. Die Gleichung für die Neutralisation lautet $\text{NH}_3 + \text{HNO}_3 \rightarrow \text{NH}_4\text{NO}_3$.
- a) Berechne die molare Masse von Ammoniak und von Ammoniumnitrat ($M(\text{N}) = 14\ \text{g/mol}$, $M(\text{H}) = 1\ \text{g/mol}$, $M(\text{O}) = 16\ \text{g/mol}$).
- b) Berechne, wie viel Kilogramm Ammoniak für $1{,}0\ \text{t}$ Ammoniumnitrat benötigt werden.
- c) Bewerte, welche Vor- und Nachteile Stickstoffdünger für Landwirtschaft und Umwelt haben.
Methanol kann aus Synthesegas gewonnen werden: $\text{CO} + 2\ \text{H}2 \rightarrow \text{CH}3\text{OH}$. Ein Reaktor wird mit $28\ \text{kg}$ Kohlenstoffmonooxid und…
Methanol kann aus Synthesegas gewonnen werden: $\text{CO} + 2\ \text{H}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{OH}$. Ein Reaktor wird mit $28\ \text{kg}$ Kohlenstoffmonooxid und $6{,}0\ \text{kg}$ Wasserstoff befüllt ($M(\text{CO}) = 28\ \text{g/mol}$, $M(\text{H}_2) = 2{,}0\ \text{g/mol}$, $M(\text{CH}_3\text{OH}) = 32\ \text{g/mol}$).
- a) Berechne die Stoffmengen der beiden Edukte.
- b) Bestimme das Edukt, das im Überschuss vorliegt, und die Masse des gebildeten Methanols bei vollständigem Umsatz.
- c) Begründe, warum technisch ein Katalysator (Kupfer-Zink-Oxid) eingesetzt wird.
Bedeutung und Bewertung des Verfahrens
Der Gedanke vom Anfang: Ohne Haber-Bosch-Verfahren gäbe es nicht genug Stickstoffdünger, und die Weltbevölkerung könnte nicht ernährt werden. Etwa die Hälfte des Stickstoffs in unserer Nahrung stammt aus dem Verfahren.
Das Verfahren hat aber auch Nachteile:
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Der Energiebedarf ist groß, etwa 1 bis 2 % des weltweiten Energiebedarfs.
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Der Wasserstoff stammt meist aus Erdgas. Dabei entsteht $\mathrm{CO_2}$, ein Treibhausgas.
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Überschüssiger Dünger gelangt als Nitrat in Grundwasser und Gewässer.
Eine Alternative ist grüner Wasserstoff: Man gewinnt ihn durch Elektrolyse von Wasser mit Ökostrom (Wind, Sonne):
$$\mathrm{2\,H_2O \longrightarrow 2\,H_2 + O_2}$$Dann entsteht bei der Wasserstoffherstellung kein $\mathrm{CO_2}$. Dafür braucht man viel elektrische Energie und große Elektrolyseanlagen.
Beim Bewerten solltest du Kriterien nennen, zum Beispiel Nutzen für die Ernährung, Energiebedarf, Klimabelastung, Gewässerschutz und Kosten. Dann wägst du Vor- und Nachteile gegeneinander ab und begründest dein Urteil.
Recherchiere (oder argumentiere auf Basis deines Wissens) zur Bedeutung des Haber-Bosch-Verfahrens. Etwa ein bis zwei Prozent des weltweiten Energiebedarfs gehen in…
Recherchiere (oder argumentiere auf Basis deines Wissens) zur Bedeutung des Haber-Bosch-Verfahrens. Etwa ein bis zwei Prozent des weltweiten Energiebedarfs gehen in diese Synthese; der benötigte Wasserstoff stammt meist aus Erdgas.
- a) Erkläre, warum die Ammoniaksynthese für die Ernährung der Weltbevölkerung wichtig ist.
- b) Beurteile die Umweltbelastung des Verfahrens durch $\text{CO}_2$ aus der Wasserstoffherstellung.
- c) Beschreibe eine Alternative („grüner Wasserstoff“ aus Wasser-Elektrolyse mit Ökostrom) und formuliere die Reaktionsgleichung der Elektrolyse von Wasser.
- d) Nenne zwei Kriterien, an denen du Internetquellen zu diesem Thema auf Verlässlichkeit prüfen würdest.
Zurück zum Anfang: Aus Luft-Stickstoff und Wasserstoff aus Erdgas entsteht im Haber-Bosch-Verfahren Ammoniak, aus dem man Dünger wie Ammoniumnitrat herstellt. Ein Eisenkatalysator, hohe Temperatur und hoher Druck machen das möglich.
Auf einen Blick
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Ammoniaksynthese: $\mathrm{N_2 + 3\,H_2 \rightleftharpoons 2\,NH_3}$ mit Eisen als Katalysator, bei etwa $400$ bis $500\ ^\circ\mathrm{C}$ und hohem Druck.
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Synthesegas ($\mathrm{CO}$ und $\mathrm{H_2}$) entsteht aus Methan und Wasserdampf. Daraus gewinnt man Wasserstoff, Methanol und Methan.
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Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie und wird nicht verbraucht. Er verschiebt das Gleichgewicht nicht.
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Bei Gasen bei gleicher Temperatur und gleichem Druck gilt: Das Volumenverhältnis entspricht dem Verhältnis der Koeffizienten.
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Wegen des Gleichgewichts setzt sich nur ein Teil um, nicht umgesetzte Gase werden im Kreislauf zurückgeführt.
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Haber-Bosch ist für die Ernährung wichtig, belastet aber Klima und Gewässer. Grüner Wasserstoff aus der Wasser-Elektrolyse ist eine Alternative.
Bearbeite die Aufgaben und überprüfe deinen Lernstand.