Aufgabe 1 – Ammoniaksynthese

Ammoniak ist eine wichtige Grundchemikalie. Die technische Herstellung erfolgt nach dem Haber-Bosch-Verfahren.

1.1

Erläutere den Zusammenhang zwischen dem Bau des Ammoniakmoleküls und zwei Eigenschaften des Stoffes.

3 BE

1.2

Formuliere die Reaktionsgleichung für die Synthese des Ammoniaks aus den Elementen.

Erläutere an diesem Beispiel das chemische Gleichgewicht.

Leite mithilfe des Prinzips von Le Chatelier die theoretisch günstigen Reaktionsbedingungen für eine optimale Ausbeute an Ammoniak ab.

Die Synthese findet bei einem Druck von 20-30 MPa und einer Temperatur von 450 °C statt. Begründe.

9 BE

1.3

Als Wasserstoffquelle für die Ammoniaksynthese kann die Konvertierung genutzt werden.

Bei der Reaktion von 150 mol Kohlenstoffmonoxid und 200 mol Wasserdampf wurden nach Einstellung des Gleichgewichtes 120 mol Wasserdampf umgesetzt.

Berechne die Gleichgewichtskonstante K_C.

4 BE

1.4

Experiment:

Weise in der vorliegenden Stoffprobe Ammonium-Ionen nach.

Fordere Nachweismittel an und protokolliere.

4 BE

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1.1

Bau des Ammoniakmoleküls

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Ammoniak lassen sich direkt aus seiner Molekülstruktur ableiten:

Molekülbau: Das Stickstoffatom im $Formula: \ce{NH3}$ $Formula: \ce{NH3}$ ist von drei bindenden und einem freien Elektronenpaar umgeben.
Raumstruktur: Nach dem VSEPR-Modell ergibt sich eine trigonal-pyramidale Geometrie.
Polarität: Aufgrund der hohen Elektronegativitätsdifferenz ( $Formula: \Delta EN \approx 0,9$ $Formula: \Delta EN \approx 0,9$ ) und der asymmetrischen Bauweise ist das Molekül ein permanenter Dipol.

Zusammenhang mit der Eigenschaft: Hohe Wasserlöslichkeit

Wechselwirkungen: Die polarisierten $Formula: \ce{N-H}$ $Formula: \ce{N-H}$ -Bindungen und das freie Elektronenpaar ermöglichen die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zu Wassermolekülen.
Löslichkeitsprinzip: Da Ammoniak wie Wasser ein Dipol ist, gilt das Prinzip „Ähnliches löst sich in Ähnlichem“, was die extreme Löslichkeit (ca. 700 L Gas in 1 L Wasser bei Raumtemperatur) erklärt.

Zusammenhang mit der Eigenschaft: Basische Reaktion

Protolytische Wirksamkeit: Ammoniak fungiert als Brönsted-Base, da das freie Elektronenpaar am Stickstoff ein Proton ( $Formula: \ce{H+}$ $Formula: \ce{H+}$ ) anlagern kann.
Reaktionsgleichung: In wässriger Lösung entstehen dabei Hydroxid-Ionen, welche die alkalische Reaktion hervorrufen:

$Formula: \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}$ $Formula: \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}$

1.2

Reaktionsgleichung der Ammoniaksynthese

Die Synthese erfolgt aus den gasförmigen Elementen Stickstoff und Wasserstoff:

$Formula: \ce{N2 (g) + 3 H2 (g) <=> 2 NH3 (g)} \quad \Delta_RH = -92\text{ kJ} \cdot \text{mol}^{-1}$ $Formula: \ce{N2 (g) + 3 H2 (g) <=> 2 NH3 (g)} \quad \Delta_RH = -92\text{ kJ} \cdot \text{mol}^{-1}$

Erläuterung des chemischen Gleichgewichts

Am Beispiel der Ammoniaksynthese lassen sich die Merkmale des chemischen Gleichgewichts wie folgt beschreiben:

Reversibilität: Die Reaktion ist umkehrbar; es finden gleichzeitig die Hinreaktion (Bildung von $Formula: \ce{NH3}$ $Formula: \ce{NH3}$ ) und die Rückreaktion (Zerfall in die Elemente) statt.
Dynamik: Ein chemisches Gleichgewicht ist ein dynamischer Zustand, bei dem die Geschwindigkeiten von Hin- und Rückreaktion gleich groß sind $Formula: (v_{hin} = v_{rück}).$ $Formula: (v_{hin} = v_{rück}).$
Stoffmengen: Makroskopisch verändern sich die Konzentrationen der beteiligten Stoffe nicht mehr, obwohl auf Teilchenebene ständiger Umsatz stattfindet.

Theoretisch günstige Bedingungen nach Le Chatelier

Das Prinzip vom kleinsten Zwang (Le Chatelier) besagt, dass ein System auf einen äußeren Zwang so reagiert, dass die Folgen des Zwangs minimiert werden. Für eine optimale Ausbeute an $Formula: \ce{NH3}$ $Formula: \ce{NH3}$ ergeben sich daraus:

Temperatur: Da die Reaktion exotherm ist ( $Formula: \Delta_RH < 0$ $Formula: \Delta_RH < 0$ ), begünstigt eine niedrige Temperatur das Gleichgewicht auf der Produktseite (Abfuhr von Wärme).
Druck: Auf der Eduktseite befinden sich 4 Mol Gasanteile, auf der Produktseite nur 2 Mol. Ein hoher Druck begünstigt somit die Seite mit dem geringeren Volumen, also die Ammoniakbildung.

Begründung der realen Bedingungen (Kompromisslösung)

In der Technik wird die Reaktion bei $Formula: 450^{\circ}\text{C}$ $Formula: 450^{\circ}\text{C}$ und $Formula: 20\text{-}30\text{ MPa}$ $Formula: 20\text{-}30\text{ MPa}$ durchgeführt. Dies ist ein notwendiger Kompromiss aus folgenden Gründen:

Temperatur-Dilemma: Eine niedrige Temperatur würde zwar die Ausbeute erhöhen, führt aber zu einer extrem langsamen Reaktionsgeschwindigkeit. Die $Formula: 450^{\circ}\text{C}$ $Formula: 450^{\circ}\text{C}$ stellen sicher, dass das Gleichgewicht schnell genug erreicht wird (Einstellung der Betriebstemperatur des Katalysators).
Druck: Der hohe Druck von $Formula: 20\text{-}30\text{ MPa}$ $Formula: 20\text{-}30\text{ MPa}$ dient der Erhöhung der Ausbeute und der Reaktionsgeschwindigkeit. Höhere Drücke wären zwar theoretisch noch günstiger, sind aber technisch zu aufwendig und kostenintensiv (Materialbelastung).
Katalysator: Zur weiteren Beschleunigung der Gleichgewichtseinstellung wird ein Eisen-Katalysator verwendet, der jedoch eine bestimmte Mindesttemperatur (Aktivierung) benötigt.

1.3

Reaktionsgleichung der Konvertierung

Zunächst muss die zugrunde liegende Reaktion formuliert werden, um die Stöchiometrie festzulegen:

$Formula: \ce{CO (g) + H2O (g) <=> CO2 (g) + H2 (g)}$ $Formula: \ce{CO (g) + H2O (g) <=> CO2 (g) + H2 (g)}$

Aufstellen der Stoffmengen-Bilanz

Aus der Aufgabenstellung entnimmt man die Anfangsstoffmengen Formula: n_0 und die umgesetzte Stoffmenge $Formula: \Delta n$ $Formula: \Delta n$ . Da die Stoffmengenverhältnisse Formula: 1:1:1:1 betragen, entspricht der Umsatz von $Formula: 120\text{ mol}$ $Formula: 120\text{ mol}$ $Formula: \ce{H2O}$ $Formula: \ce{H2O}$ auch dem Umsatz aller anderen beteiligten Stoffe.

Komponente	n0 in mol (Anfang)	Δn in mol (Reaktion)	n_eq in mol (Gleichgewicht)
$Formula: \ce{CO}$ $Formula: \ce{CO}$
$Formula: \ce{H2O}$ $Formula: \ce{H2O}$
$Formula: \ce{CO2}$ $Formula: \ce{CO2}$
$Formula: \ce{H2}$ $Formula: \ce{H2}$

Berechnung der Gleichgewichtskonstante Formula: K_c

Das Massenwirkungsgesetz (MWG) wird für diese Reaktion wie folgt aufgestellt:

$Formula: K_c = \frac{c(\ce{CO2}) \cdot c(\ce{H2})}{c(\ce{CO}) \cdot c(\ce{H2O})}$ $Formula: K_c = \frac{c(\ce{CO2}) \cdot c(\ce{H2})}{c(\ce{CO}) \cdot c(\ce{H2O})}$

Da sich das Volumen Formula: V bei dieser Reaktion wegkürzt (gleiche Anzahl an Molen auf beiden Seiten, Annahme idealer Gase), können wir direkt mit den Gleichgewichtsstoffmengen $Formula: n_{eq}$ $Formula: n_{eq}$ rechnen:

$Formula: K_c = \frac{n(\ce{CO2}) \cdot n(\ce{H2})}{n(\ce{CO}) \cdot n(\ce{H2O})}$ $Formula: K_c = \frac{n(\ce{CO2}) \cdot n(\ce{H2})}{n(\ce{CO}) \cdot n(\ce{H2O})}$

Einsetzen der Werte:

$Formula: K_c = \frac{120\text{ mol} \cdot 120\text{ mol}}{30\text{ mol} \cdot 80\text{ mol}}$ $Formula: K_c = \frac{120\text{ mol} \cdot 120\text{ mol}}{30\text{ mol} \cdot 80\text{ mol}}$

$Formula: K_c = \frac{14400}{2400}$ $Formula: K_c = \frac{14400}{2400}$

Formula: K_c = 6

Zusatz: Interpretation des Ergebnisses

Der Wert ist größer als , was bedeutet, dass das Gleichgewicht unter den gegebenen Bedingungen auf der Seite der Produkte ( $Formula: \ce{CO2}$ $Formula: \ce{CO2}$ und $Formula: \ce{H2}$ $Formula: \ce{H2}$ ) liegt.

1.4

Anforderung der Nachweismittel

Für den Nachweis werden folgende Chemikalien und Geräte benötigt:

Chemikalien: Natronlauge ( $Formula: \ce{NaOH_{(aq)}}$ $Formula: \ce{NaOH_{(aq)}}$ ) oder Calciumhydroxid-Feststoff ( $Formula: \ce{Ca(OH)2}$ $Formula: \ce{Ca(OH)2}$ ), destilliertes Wasser.
Indikator: Feuchtes Unitest-Papier oder rotes Lackmuspapier.
Geräte: Reagenzglas, Reagenzglashalter, Gasbrenner (oder Wasserbad), Pipette, Uhrglas.

Protokoll: Nachweis von Ammonium-Ionen ( $Formula: \ce{NH4+}$ $Formula: \ce{NH4+}$ )

Vorbeobachtung

Die Stoffprobe liegt als Feststoff oder in Lösung vor.

Durchführung

Eine kleine Menge der Stoffprobe wird in ein Reagenzglas gegeben und mit etwas Natronlauge versetzt.
Das Gemisch wird ggf. vorsichtig erwärmt (nicht sieden).
Ein angefeuchteter Indikatorstreifen wird in den Gasraum über der Öffnung gehalten, ohne die Wandung zu berühren.

Beobachtung

Es ist ein stechender Geruch (typisch nach Ammoniak) wahrnehmbar.
Das feuchte Indikatorpapier färbt sich blau bzw. zeigt eine alkalische Reaktion an.

Auswertung / Chemische Hintergrundreaktion

Durch die Zugabe der starken Base ( $Formula: \ce{OH-}$ $Formula: \ce{OH-}$ -Ionen) wird das Proton vom Ammonium-Ion abgespalten. Es entsteht gasförmiges Ammoniak, welches aus der Lösung entweicht (die stärkere Base verdrängt die schwächere aus ihrem Salz):

$Formula: \ce{NH4+ (aq) + OH- (aq) -> NH3 (g) ^ + H2O (l)}$ $Formula: \ce{NH4+ (aq) + OH- (aq) -> NH3 (g) ^ + H2O (l)}$

Das entweichende $Formula: \ce{NH3}$ $Formula: \ce{NH3}$ -Gas reagiert mit dem Wasser des feuchten Indikatorpapiers wieder zu Hydroxid-Ionen, was die Blaufärbung erklärt:

$Formula: \ce{NH3 (g) + H2O (l) <=> NH4+ (aq) + OH- (aq)}$ $Formula: \ce{NH3 (g) + H2O (l) <=> NH4+ (aq) + OH- (aq)}$

Ergebnis

Der Nachweis ist positiv; in der Stoffprobe sind Ammonium-Ionen enthalten.

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