Gleichgewicht · niedrige Temperatur
Die exotherme Hinreaktion wird thermodynamisch begünstigt. Bei gegebenem Druck liegt der Gleichgewichtsanteil von NH₃ höher.
Chemie · Verstehen und üben
Ammoniaksynthese und Haber-Bosch-Verfahren
Verstehe den technischen Kompromiss aus Gleichgewicht und Geschwindigkeit – mit Synthesekreislauf und interaktiver Stoffmengenbilanz.
N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃
Gleichgewicht · Katalyse · Technik
Aus Stickstoff und Wasserstoff wird Ammoniak
Das Haber-Bosch-Verfahren stellt Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff her. Ammoniak ist ein wichtiger Ausgangsstoff, etwa für stickstoffhaltige Düngemittel. Die Synthese verknüpft chemisches Gleichgewicht mit Reaktionsgeschwindigkeit und technischer Prozessführung.
N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g) · ΔᵣH° ≈ −92 kJ
Die Enthalpieangabe bezieht sich auf die Reaktion wie geschrieben, also auf die Bildung von 2 mol gasförmigem NH₃ unter Standardbedingungen. Die Hinreaktion ist exotherm.
Vorwissen: Chemisches Gleichgewicht und Le Chatelier.
Warum nicht einfach möglichst kalt arbeiten?
Geschwindigkeit · höhere Temperatur
Die Umsetzung läuft schneller ab. Besonders die Aktivierung des stabilen N₂-Moleküls erfordert einen geeigneten Reaktionsweg.
Druck · weniger Gasteilchen
Bei gleicher Temperatur begünstigt eine Kompression die Seite mit weniger Gasmolekülen: aus vier werden zwei.
Technischer Kompromiss
Hoher Druck benötigt aufwendige Apparate und Kompressionsarbeit. Zu niedrige Temperatur ist zu langsam, zu hohe Temperatur senkt die Gleichgewichtsausbeute.
Als schulisches Richtbeispiel werden oft etwa 400–500 °C, hoher Druck im Bereich von 100–250 bar und ein eisenbasierter Katalysator genannt. Die konkrete Auslegung hängt von Anlage und Katalysatorsystem ab.
Der Katalysator beschleunigt, verschiebt aber nicht
Auf einer geeigneten Katalysatoroberfläche werden die Ausgangsstoffe adsorbiert und über mehrere Schritte umgesetzt. Dadurch wird ein alternativer Reaktionsweg zugänglich. Der Katalysator beschleunigt Hin- und Rückreaktion und verkürzt die Zeit bis zum Gleichgewicht.
Bei gleicher Temperatur: K bleibt durch den Katalysator unverändert
Ein Katalysator liefert nicht automatisch mehr NH₃ im Gleichgewicht. In einem technischen Reaktor mit begrenzter Verweilzeit kann er aber einen höheren tatsächlich erreichten Umsatz ermöglichen.
Synthese-Labor: Was ändert sich wirklich?
Wähle eine Änderung und trenne Gleichgewichtslage, Reaktionsgeschwindigkeit und technische Wirkung.
Folge
Mehr NH₃ im Gleichgewicht
Chemische Begründung
Kompression bei konstanter Temperatur begünstigt die Seite mit weniger Gasteilchen: rechts stehen 2 statt links 4 mol Gas. K bleibt bei gleicher Temperatur unverändert.
Warum unverbrauchte Gase im Kreis geführt werden
Die Gase werden gereinigt, passend gemischt, verdichtet und über den Katalysator geführt. Ein einzelner Reaktordurchgang setzt nur einen Teil um. Nach dem Abkühlen kann Ammoniak unter geeigneten Druckbedingungen kondensieren und abgetrennt werden.
Der nicht umgesetzte Stickstoff und Wasserstoff wird zurückgeführt. In realen Anlagen wird ein kleiner Teil des Kreislaufgases ausgeschleust, damit sich inerte Begleitgase nicht anreichern. Wärmerückgewinnung verringert den zusätzlichen Energiebedarf.
Stoffmengenbilanz für einen Reaktordurchgang
Start: 1,00 mol N₂ und 3,00 mol H₂, noch kein NH₃. Als reine Rechenannahme reagieren 20 % des eingesetzten N₂. Das ist keine Vorhersage einer bestimmten Anlage.
Verbrauch: 0,20 mol N₂ + 0,60 mol H₂
Bildung: 0,40 mol NH₃
Rest: 0,80 mol N₂ + 2,40 mol H₂
Insgesamt liegen danach 3,60 mol Gas vor. Der NH₃-Stoffmengenanteil vor einer Abtrennung beträgt 0,40/3,60 ≈ 11,1 %. Ein N₂-Umsatz von 20 % ist also nicht dasselbe wie 20 % NH₃ im Produktgemisch.
Der Regler setzt den Umsatz als Vorgabe. Er berechnet die Stöchiometrie und keine Gleichgewichtsausbeute aus Temperatur und Druck.
Woher kommen Stickstoff und Wasserstoff?
Stickstoff
Wird aus Luft gewonnen. Für den Synthesekatalysator sind geeignete Reinheit und die Entfernung störender Stoffe wichtig.
Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen
Kann etwa aus Erdgas über Dampfreformierung und nachfolgende Aufbereitung gewonnen werden. Dabei entstehen prozessbedingte CO₂-Emissionen.
Wasserstoff aus Elektrolyse
Wasser wird mit elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Klimawirkung hängt wesentlich von der Strombereitstellung ab.
Bewertung
Rohstoffquelle, Energiebedarf und Emissionen betrachten. Der Synthesereaktor selbst hat dieselbe Gesamtreaktion, unabhängig von der H₂-Herkunft.
2 H₂O → 2 H₂ + O₂
Selbstcheck: Gleichgewicht, Umsatz und Kreislaufführung
1 · Gleiche die Ammoniaksynthese aus.
Tipp anzeigen
Links N₂ und H₂, rechts NH₃.
Lösung anzeigen
N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃.
2 · Warum begünstigt höherer Druck die NH₃-Bildung?
Tipp anzeigen
Zähle Gasteilchen auf beiden Seiten.
Lösung anzeigen
Kompression bei konstanter Temperatur begünstigt die Seite mit weniger Gasteilchen: 4 mol links, 2 mol rechts.
3 · Warum ist sehr niedrige Temperatur technisch ungünstig?
Tipp anzeigen
Unterscheide Lage und Geschwindigkeit.
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Die NH₃-Gleichgewichtsausbeute wäre günstig, die Reaktion aber zu langsam für einen wirtschaftlichen Betrieb.
4 · Verändert der Katalysator die Gleichgewichtskonstante?
Tipp anzeigen
K hängt bei gegebener Reaktion von der Temperatur ab.
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Nein. Bei gleicher Temperatur bleibt K unverändert; Hin- und Rückreaktion laufen schneller ab.
5 · Warum werden unverbrauchte Gase zurückgeführt?
Tipp anzeigen
Ein Durchgang liefert keine vollständige Umsetzung.
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Weitere Durchgänge ermöglichen zusätzliche Umsetzung; das abgetrennte NH₃ wird gewonnen und die Edukte werden erneut genutzt.
6 · 1 mol N₂ und 3 mol H₂: 40 % N₂-Umsatz. Berechne die Stoffmengen danach.
Tipp anzeigen
Pro mol N₂ reagieren 3 mol H₂ zu 2 mol NH₃.
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0,60 mol N₂ und 1,80 mol H₂ bleiben; 0,80 mol NH₃ entstehen.
7 · Wie groß ist der NH₃-Anteil im vorherigen Beispiel vor Abtrennung?
Tipp anzeigen
Teile 0,80 durch die Summe aller Stoffmengen.
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0,80/(0,60+1,80+0,80) = 0,25 = 25 %. Umsatz und Produktanteil sind verschieden.
8 · Warum reicht „Wasserstoff aus Elektrolyse“ allein nicht für eine vollständige Klimabewertung?
Tipp anzeigen
Woher stammt die elektrische Energie?
Lösung anzeigen
Stromquelle, Energiebedarf, Herstellung und weitere Prozessschritte beeinflussen die Emissionen.
Kurzer Begriffscheck
Ein Katalysator bewirkt bei gleicher Temperatur …
Wähle eine Antwort.
Für den Unterricht: Den technischen Kompromiss begründen
Einstieg: Niedrige Temperatur für die Ausbeute, höhere Temperatur für die Geschwindigkeit gegenüberstellen.
Partnerarbeit: Änderungen im Synthese-Labor chemisch begründen.
Sicherung: Umsatz und NH₃-Anteil berechnen und die Rückführung im Fließbild erklären.
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Direkt passend: Gleichgewicht, technische Bedingungen und Stoffkreislauf.
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Chemisches Gleichgewicht & Le-Chatelier – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Grundlagen: Druck, Temperatur und Konzentrationsänderungen beurteilen.
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Chemisches Gleichgewicht verstehen – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Ergänzung: dynamisches Gleichgewicht und Hin- und Rückreaktion verstehen.
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