Warum braucht die Ammoniak-Synthese hohen Druck, eine mittlere Temperatur und einen Katalysator?
TEILCHENSIMULATION – HABER-BOSCH-VERFAHREN
N2 + 3 H2 2 NH3ΔRH = −92 kJ·mol−1
Stelle Temperatur, Volumen und Geschwindigkeit ein und füge bei Bedarf den Eisen-Katalysator hinzu. Beobachte, wie sich Reaktionsgeschwindigkeit und Gleichgewicht ändern.
Teilchenzahl
N (N2)—
N (H2)—
N (NH3)—
N gesamt—
Konzentration (relativ)
c(N2)—
c(H2)—
c(NH3)—
Massenwirkungsgesetz
Q (aktuell)—
Kc(T)—
Bedingungen
Druck p (relativ)—
Temperatur—
Volumen—
Aufgaben
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Die Ammoniak-Synthese (Haber-Bosch-Verfahren)
Aus Stickstoff und Wasserstoff entsteht Ammoniak: N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3. Die Reaktion ist umkehrbar (Doppelpfeil) und stellt ein chemisches Gleichgewicht ein. Die Hinreaktion ist exotherm (ΔRH = −92 kJ/mol).
Das Problem: Die Reaktion hat eine sehr hohe Aktivierungsenergie. Bei niedriger Temperatur läuft sie kaum ab, obwohl das Gleichgewicht dort günstig auf der Seite des NH3 läge. Ein Eisen-Katalysator senkt die Aktivierungsenergie und beschleunigt Hin- und Rückreaktion gleichermaßen, ohne die Gleichgewichtslage zu ändern.
Nach Le Chatelier wäre für eine hohe NH3-Ausbeute eine niedrige Temperatur günstig (exotherm) und ein hoher Druck (die Hinreaktion verringert die Teilchenzahl von 4 auf 2). In der Technik wählt man einen Kompromiss: eine mittlere Temperatur (ca. 400–500 °C), damit sich das Gleichgewicht überhaupt schnell genug einstellt, und einen hohen Druck (ca. 200–300 bar).
Das Massenwirkungsgesetz beschreibt die Lage: Kc = c(NH3)2 / [c(N2)·c(H2)3]. Kc hängt nur von der Temperatur ab; der Reaktionsquotient Q nähert sich im Gleichgewicht dem Wert von Kc an.
Experimentiere: Starte bei 25 °C ohne Katalysator (kaum Reaktion). Füge den Katalysator hinzu und beobachte, wie NH3 entsteht. Vergleiche dann verschiedene Temperaturen und verkleinere das Volumen (höherer Druck).