Aufgaben: Synthesegas, Ammoniak und Methan

Bei der Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren) reagieren Stickstoff und Wasserstoff: $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightleftharpoons 2\ \text{NH}_3$.

1. a) Nenne die Edukte und das Produkt mit Namen.
2. b) Gib an, welchen Katalysator man im technischen Verfahren verwendet.
3. c) Nenne zwei Verwendungen von Ammoniak.

Synthesegas ist ein Gemisch aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff.

1. a) Gib die Formeln der beiden Bestandteile an.
2. 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).

1. a) Gleiche die Reaktionsgleichung aus.
2. b) Nenne den Hauptbestandteil von Erdgas und eine Verwendung.

Für die Ammoniaksynthese gilt $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightleftharpoons 2\ \text{NH}_3$.

1. a) Wie viele Liter Wasserstoff werden für $10\ \text{L}$ Stickstoff benötigt, wenn alle Gase bei gleicher Temperatur und gleichem Druck vorliegen?
2. b) Wie viele Liter Ammoniak entstehen bei vollständigem Umsatz?
3. c) Erkläre, warum das Gesamtvolumen abnimmt.

Der Wasserstoff für die Ammoniaksynthese wird aus Methan und Wasserdampf gewonnen: $\text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + 3\ \text{H}_2$.

1. a) Zeige, dass die Gleichung ausgeglichen ist, indem du die Atomanzahlen auf beiden Seiten vergleichst.
2. b) Gib das Teilchenzahlverhältnis $N(\text{CH}_4) : N(\text{H}_2)$ an.
3. 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.

Bei der Ammoniaksynthese wird bei etwa $400\ \text{bis}\ 500\ ^\circ\text{C}$ und hohem Druck gearbeitet; der Katalysator besteht aus Eisen.

1. a) Erkläre, welche Aufgabe der Katalysator hat.
2. b) Erkläre, warum man nicht einfach bei Raumtemperatur arbeitet.
3. c) Erkläre, warum sich der Stickstoff und der Wasserstoff nicht vollständig zu Ammoniak umsetzen und warum man das nicht umgesetzte Gas im Kreislauf zurückführt.

Ammoniak ist Rohstoff für Düngemittel wie Ammoniumnitrat $\text{NH}_4\text{NO}_3$. Die Gleichung für die Neutralisation lautet $\text{NH}_3 + \text{HNO}_3 \rightarrow \text{NH}_4\text{NO}_3$.

1. a) Berechne die molare Masse von Ammoniak und von Ammoniumnitrat ($M(\text{N}) = 14\ \text{g/mol}$, $M(\text{H}) = 1\ \text{g/mol}$, $M(\text{O}) = 16\ \text{g/mol}$).
2. b) Berechne, wie viel Kilogramm Ammoniak für $1{,}0\ \text{t}$ Ammoniumnitrat benötigt werden.
3. 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 $6{,}0\ \text{kg}$ Wasserstoff befüllt ($M(\text{CO}) = 28\ \text{g/mol}$, $M(\text{H}_2) = 2{,}0\ \text{g/mol}$, $M(\text{CH}_3\text{OH}) = 32\ \text{g/mol}$).

1. a) Berechne die Stoffmengen der beiden Edukte.
2. b) Bestimme das Edukt, das im Überschuss vorliegt, und die Masse des gebildeten Methanols bei vollständigem Umsatz.
3. c) Begründe, warum technisch ein Katalysator (Kupfer-Zink-Oxid) eingesetzt wird.

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.

1. a) Erkläre, warum die Ammoniaksynthese für die Ernährung der Weltbevölkerung wichtig ist.
2. b) Beurteile die Umweltbelastung des Verfahrens durch $\text{CO}_2$ aus der Wasserstoffherstellung.
3. c) Beschreibe eine Alternative („grüner Wasserstoff“ aus Wasser-Elektrolyse mit Ökostrom) und formuliere die Reaktionsgleichung der Elektrolyse von Wasser.
4. d) Nenne zwei Kriterien, an denen du Internetquellen zu diesem Thema auf Verlässlichkeit prüfen würdest.