1 Ammoniak

1.1

Beschreibe den Bau und die chemische Bindung des Ammoniakmoleküls.

Begründe, ausgehend von der Elektronenkonfiguration der Atome Stickstoff und Wasserstoff, den Bau des Ammoniakmoleküls.

6 BE

1.2

Ammoniak und Wasser unterscheiden sich sowohl in der Anzahl als auch in der Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen (Material I).

Erkläre diese Unterschiede und deren Einfluss auf die Siedetemperaturen.

4 BE

1.3

Beurteile jeweils, ob Ammoniak nach ARRHENIUS, BRØNSTED beziehungsweise LEWIS als Base interpretiert werden kann (Material II).

6 BE

2 Herstellung von Ammoniak

Ammoniak wird nach dem HABER-BOSCH-Verfahren aus seinen Elementen hergestellt. Bei dieser exothermen Reaktion stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein.

2.1

Formuliere die Reaktionsgleichung für die Ammoniaksynthese. Gib an, welches der Diagramme aus Material III auf die Ammoniaksynthese zutrifft und begründe deine Auswahl unter Nutzung des Prinzips von LE CHATELIER.

5 BE

2.2

Bei einer Temperatur von und einem Druck von beträgt im Gleichgewicht das Volumen von Wasserstoff von Stickstoff und von Ammoniak

Berechne den Volumenanteil von Ammoniak im vorliegenden Gleichgewicht in Prozent.

2 BE

2.3

Auf dem beigefügten Arbeitsblatt ist der zeitliche Verlauf der Volumenanteile während der Ammoniaksynthese bei der Temperatur in einem Diagramm dargestellt.

Skizziere in dieses Diagramm den Kurvenverlauf für eine niedrigere Temperatur bei konstantem Druck.

Zeitlicher Verlauf der Volumenanteile (beigefügt als Arbeitsblatt)

3 BE

3 Verwendung von Ammoniak

Ammoniak kann als Speichermedium für „grünen“ Wasserstoff, als Energieträger in Form von Brennstoff in Kraftwerken oder als Kraftstoff für Schiffsmotoren sowie zur Weiterverarbeitung zu Düngemitteln eingesetzt werden.

3.1

Diskutiere den Einsatz von Ammoniak als Speicher- und Transportmedium für „grünen“ Wasserstoff (Material IV).

4 BE

3.2

Formuliere die Reaktionsgleichung der Verbrennung von Ammoniak (Material V).

Berechne die Reaktionsenthalpie für die Verbrennung von Ammoniak.

Begründe unter Verwendung geeigneter Berechnungen, dass diese Reaktion unabhängig von der Temperatur freiwillig verläuft.

8 BE

3.3

Stickstoffdüngemittel sind entscheidend für ein gutes Pflanzenwachstum, können jedoch auch den pH-Wert des Bodens beeinflussen.

Begründe unter Nutzung von Reaktionsgleichungen die Wirkung der im Material VI aufgeführten Düngemittel 1 und 2 auf den pH-Wert des feuchten Bodens.

7 BE

Material I: Wasserstoffbrückenbindungen

Als Anfang des 20. Jahrhunderts das HABER-BOSCH-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak zum Patent angemeldet wurde, lag der Schwerpunkt der Verwendung von Ammoniak auf der Herstellung von Düngemitteln und Sprengstoffen. Auch heute sind diese Anwendungsgebiete aktuell. Darüber hinaus kommt Ammoniak als Speichermedium für „grünen“ Wasserstoff und als Brennstoff im Rahmen der Energiewende immer größere Bedeutung zu.

Schematische Darstellung von Wasserstoffbrückenbindungen (WWB) zwischen Wasser- sowie zwischen Ammoniakmolekülen^[1]

Material II: Säure-Base-Theorien

Bereits im 17. Jahrhundert fasste BOYLE Säuren als Stoffe auf, die eine Farbänderung bei Pflanzenfarbstoffen hervorrufen. Die Auswertung experimenteller Befunde zog weitere Definitionen nach sich. So beschrieb zum Beispiel LAVOISIER Säuren als Sauerstoffverbindungen. Nach LIEBIG enthielten Säuren Wasserstoff. ARRHENIUS stellte 1887 eine Theorie für Säuren und Basen auf. 1923 definierte BRØNSTED Säuren und Basen im Rahmen eines Donator-Akzeptor-Konzepts. LEWIS veröffentlichte 1938 eine zweite Theorie, nach der Säuren als Elektronenpaar-Akzeptoren und Basen als Elektronenpaar-Donatoren definiert wurden.

Material III: Volumenanteil-Druck-Diagramme

Material IV: Ammoniak als Speichermedium von „grünen“ Wasserstoff

Deutschland hat das Ziel, Treibhausgasneutralität zu erreichen. Eine besondere Bedeutung hat dabei der Einsatz erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung. Diese elektrische Energie wird unter anderem zur Herstellung von „grünem“ Wasserstoff durch Elektrolyse genutzt. Da die Erzeugungskapazität in Deutschland begrenzt ist, muss der so gewonnene Wasserstoff voraussichtlich aus sonnen- und windreichen Gebieten importiert werden. Als Alternative zum technisch aufwändigen Transport von reinem Wasserstoff wird die Umwandlung von Wasserstoff in Ammoniak erprobt. Die Ammoniaksynthese ist ein energieintensiver Prozess und erfordert außerdem konstanten Zustrom von Wasserstoff und Stickstoff. Dies ist mit „grünem“ Wasserstoff nicht immer gegeben. Eine Forschergruppe arbeitet zurzeit daran, durch ein neues Reaktorkonzept die schwankende Verfügbarkeit von „grünem“ Wasserstoff auszugleichen. Der hergestellte Ammoniak kann bei einer Temperatur von und einem Druck von verflüssigt und mit bereits etablierten Infrastrukturen per Schiff, LKW, Bahn oder in Pipelines transportiert werden. Dabei ist jedoch das giftige, korrosive und umweltgefährdende Potenzial von Ammoniak zu beachten. Nach dem Transport kann aus Ammoniak in einem energieaufwändigen Prozess wieder Wasserstoff zurückgewonnen werden. Ebenso ist eine direkte Nutzung von Ammoniak als Brennstoff mit geringem Heizwert oder zur Herstellung von Düngemitteln denkbar.^{[2] [3]}

Material V: Verbrennung von Ammoniak

Bei der Verbrennung von Ammoniak entstehen Stickstoff und Wasser.

Thermodynamische Zustandsgrößen^[4]

in
in

Material VI: Stickstoffdüngemittel

	Trivialname	Inhaltsstoffe	Wirkung auf den pH-Wert des Bodens
Düngemittel 1	Schwefelsaures Ammoniak	Ammoniumsulfat	deutliche Senkung
Düngemittel 2	Kalkammonsalpeter	Ammoniumnitrat Calciumcarbonat	kaum Auswirkungen

1: www.lehrerfortbildung-bw.de (18.11.2024)

2: https://www.umweltbundesamt.de (18.11.2024)

3: https://www.hch2.de (18.11.2024)

4: www.periodensystem-online.de (18.11.2024)

Bau und chemische Bindung des Ammoniakmoleküls

Das Ammoniakmolekül besteht aus einem zentralen Stickstoffatom, das kovalent mit drei Wasserstoffatomen verknüpft ist. Aufgrund der Elektronegativitätsdifferenz sind die N–H-Bindungen polarisiert, wobei die Elektronendichte zum Stickstoffatom verschoben ist. Zusätzlich verfügt das Stickstoffatom über ein nichtbindendes (freies) Elektronenpaar. Nach dem VSEPR-Modell (Elektronenpaarabstoßungs-Modell) resultiert daraus eine trigonal-pyramidale Geometrie, da das freie Elektronenpaar einen größeren Raumbedarf aufweist als die Bindungspaare.

Begründung über die Elektronenkonfiguration

Die Bindungsverhältnisse lassen sich durch die energetische Verteilung der Elektronen in den Atomen erklären:

• Stickstoff Die Elektronenkonfiguration im Grundzustand lautet In der äußeren Schale (L-Schale) befinden sich somit fünf Valenzelektronen. Gemäß der Hund'schen Regel sind die drei p-Orbitale jeweils einfach besetzt Diese drei ungepaarten Elektronen ermöglichen die Ausbildung von drei Atombindungen (Dreibindigkeit).

• Wasserstoff Mit der Konfiguration besitzt Wasserstoff ein einfach besetztes s-Orbital und ist somit einbindig.

Um eine stabile Edelgaskonfiguration (Oktett am Stickstoff, Dublett am Wasserstoff) zu erreichen, teilen sich die drei Wasserstoffatome jeweils ihr Elektron mit einem der ungepaarten p-Elektronen des Stickstoffs. Das verbleibende -Elektronenpaar des Stickstoffs bildet das freie Elektronenpaar.

Analyse der Bindungsvoraussetzungen

Die Siedetemperatur eines Stoffes ist ein Maß für die Energie, die aufgewendet werden muss, um die zwischenmolekularen Anziehungskräfte in der flüssigen Phase zu überwinden. Bei und sind Wasserstoffbrückenbindungen (WBB) die dominierenden Kräfte. Deren Ausprägung hängt von der Anzahl der freien Elektronenpaare (Akzeptoren) und der Anzahl der polar gebundenen Wasserstoffatome (Donatoren) ab.

Erklärung der Unterschiede (Material I)

1. Struktur-Aspekt (Anzahl): Ein Wassermolekül besitzt zwei freie Elektronenpaare am Sauerstoffatom und zwei polar gebundene Wasserstoffatome. Im zeitlichen Mittel kann jedes Molekül somit vier WBB zu Nachbarmolekülen ausbilden (zwei als Donator, zwei als Akzeptor). Beim Ammoniakmolekül stehen zwar drei H-Atome zur Verfügung, aber nur ein freies Elektronenpaar am Stickstoff. Dies begrenzt die Anzahl der effektiv wirksamen Brückenbindungen im Netzwerk deutlich gegenüber Wasser.

2. Polaritäts-Aspekt (Stärke): Die Stärke einer WBB korreliert mit der Partialladung der Atome. Da Sauerstoff eine höhere Elektronegativität aufweist als Stickstoff ist die O–H-Bindung stärker polarisiert als die N–H-Bindung. Die resultierende höhere positive Partialladung am Wasserstoffatom und negative Partialladung am Sauerstoffatom führt zu einer stärkeren elektrostatischen Anziehungskraft. Die Bindungsenergie im Wasser ist dementsprechend doppelt so hoch wie im Ammoniak

Einfluss auf die Siedetemperatur

Da im Wasser sowohl die Anzahl als auch die Stärke der zwischenmolekularen Kräfte signifikant höher sind, wird ein wesentlich größerer thermischer Energiebetrag benötigt, um die Moleküle aus dem Verband in die Gasphase zu überführen. Dies erklärt, warum Wasser trotz einer ähnlichen molaren Masse einen weitaus höheren Siedepunkt besitzt als Ammoniak

Beurteilung des Basencharakters von Ammoniak nach verschiedenen Theorien

Die Einordnung von Ammoniak als Base hat sich mit der Entwicklung der Säure-Base-Konzepte gewandelt.

Nach Arrhenius sind Basen Stoffe, die in wässriger Lösung unter Abspaltung von Hydroxid-Ionen und Metall-Kationen dissoziieren. Da das Ammoniakmolekül aus Nichtmetallatomen besteht und keine Hydroxidgruppe in seiner Struktur aufweist, kann es nicht als Arrhenius-Base interpretiert werden. Zwar reagiert eine wässrige Ammoniaklösung alkalisch, dies ist jedoch das Ergebnis einer Reaktion mit dem Lösungsmittel Wasser und nicht einer direkten Dissoziation des Stoffes selbst.

Brønsted definierte Basen funktional als Protonenakzeptoren. Diese Definition ist auf Ammoniak uneingeschränkt anwendbar. Aufgrund des freien Elektronenpaars am Stickstoffatom ist Ammoniak in der Lage, ein Proton von einem Säure-Partner (z. B. Wasser) aufzunehmen. Dabei entsteht die konjugierte Säure von Ammoniak, das Ammonium-Ion:

Das Lewis-Konzept erweitert den Basenbegriff auf die elektronische Ebene: Basen sind Elektronenpaar-Donatoren (Bindungspartner mit mindestens einem freien Elektronenpaar). Wie bereits in Aufgabe 1.1 dargelegt, besitzt das Stickstoffatom im Ammoniakmolekül ein nichtbindendes Elektronenpaar. Damit kann Ammoniak als Lewis-Base fungieren, indem es dieses Elektronenpaar für die Ausbildung einer koordinativen Bindung zur Verfügung stellt (z. B. bei der Bildung von Metall-Ammin-Komplexen).

Abschließendes Urteil

Ammoniak kann nach den modernen Konzepten von Brønsted und Lewis eindeutig als Base klassifiziert werden. Die ältere Definition nach Arrhenius ist hingegen zu eng gefasst, um das chemische Verhalten von Ammoniak auf Molekularebene korrekt detailreich zu beschreiben.

Reaktionsgleichung

Die Synthese von Ammoniak aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff ist eine reversible, exotherme Gleichgewichtsreaktion, die unter Volumenabnahme verläuft:

Auswahl und Begründung des Diagramms (Material III)

Auf die Ammoniaksynthese trifft Diagramm 3 zu. Diese Auswahl lässt sich mithilfe des Prinzips von Le Chatelier (Prinzip vom kleinsten Zwang) herleiten:

1. Einfluss des Drucks:

   Auf der Eduktseite liegen insgesamt gasförmige Teilchen vor und während auf der Produktseite nur gasförmiger Ammoniak entstehen. Eine Druckerhöhung stellt einen Zwang dar, dem das System durch eine Verschiebung des Gleichgewichts in Richtung der Seite mit der geringeren Teilchenzahl (geringeres Volumen) ausweicht. Folglich steigt der Volumenanteil an mit zunehmendem Druck in den Diagrammen 1 und 3 an. Diagramm 2 zeigt eine Senkung, wodurch dieses direkt ausgeschlossen werden kann.

2. Einfluss der Temperatur:

   Die Reaktion ist exotherm das heißt, es wird Wärme freigesetzt. Eine Temperatursenkung entzieht dem System thermische Energie. Nach Le Chatelier weicht das System diesem Zwang aus, indem die Wärme liefernde Reaktion (die Hinreaktion) verstärkt abläuft. Daher muss der höchste Ertrag an Ammoniak bei der niedrigsten gegebenen Temperatur erzielt werden. Dies ist zwischen Diagramm 1 und 3 nur bei letzterem der Fall, weshalb Diagramm 3 schließlich das gesuchte, richtige Diagramm darstellt.

Gegebene Werte aus dem Material

• 

• 

• 

Berechnung des Gesamtvolumens

Das Gesamtvolumen der Gasmischung ergibt sich aus der Summe der Einzelvolumina der Komponenten:

Berechnung des Volumenanteils

Der Volumenanteil berechnet sich nach der Formel:

Durch Einsetzen der Werte erhält man:

Um die Angabe in Prozent zu erhalten, wird der Wert mit multipliziert:

Antwortsatz

Der Volumenanteil von Ammoniak im chemischen Gleichgewicht unter den gegebenen Bedingungen beträgt etwa

Skizze des Diagramms bei niedrigerer Temperatur

Eine Absenkung der Temperatur auf verringert gemäß der RGT-Regel die Reaktionsgeschwindigkeit, was zu einem flacheren Kurvenanstieg und einer deutlich längeren Einstellzeit des Gleichgewichts führt. Da die Ammoniaksynthese gemäß exotherm verläuft, verschiebt sich die Gleichgewichtslage nach dem Prinzip von Le Chatelier bei jedoch zu einem höheren Volumenanteil In der Skizze resultiert daraus eine Kurve, die zunächst unterhalb der Referenzkurve verläuft, diese im Zeitverlauf schneidet und schließlich in ein höheres Plateau mündet.

Hinweis: Die Begründung des Kurvenverlaufs dient nur zur Hilfestellung und wird nicht zur Erreichung der vollen Punktzahl benötigt. Zur Vereinfachung wurde hier nur die Darstellung des Ammoniak-Volumenanteils gewählt. Bei zusätzlicher Darstellung der restlichen Volumenanteile ist darauf zu achten, dass jederzeit ein Gesamtanteil von aller Stoffe erreicht wird.

Diskussion von Ammoniak als Speicher- und Transportmedium für „grünen“ Wasserstoff

Im Zuge der angestrebten Treibhausgasneutralität Deutschlands spielt „grüner“ Wasserstoff eine zentrale Rolle. Da die inländische Erzeugungskapazität begrenzt ist, müssen effiziente Wege für den Import aus wind- und sonnenreichen Regionen gefunden werden. Die Umwandlung von Wasserstoff in Ammoniak stellt hierbei eine vielversprechende technologische Alternative dar.

Vorteile und Nachteile der Nutzung von Ammoniak

Ein entscheidender Vorteil ist die leichte Verflüssigbarkeit. Während reiner Wasserstoff für den Schiffstransport auf gekühlt werden muss, lässt sich Ammoniak bereits bei einer Temperatur von und einem moderaten Druck von verflüssigen. Dies ermöglicht die Nutzung einer etablierten Infrastruktur (Schiffe, LKW, Pipelines), was die Logistik gegenüber reinem Wasserstoff erheblich vereinfacht. Zudem ist die Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren) industriell seit über einem Jahrhundert erprobt, wobei moderne Forschungsansätze die Flexibilität des Prozesses gegenüber schwankenden Energiezuströmen (aus erneuerbaren Quellen) stetig verbessern.

Kritisch zu betrachten ist die Gesamtenergieeffizienz. Sowohl die Synthese von als auch die spätere Rückgewinnung von Wasserstoff sind energieintensive Prozesse, die den Wirkungsgrad der Energiekette mindern. Des Weiteren stellt das Gefahrenpotenzial der Substanz eine Hürde dar: Ammoniak ist giftig, korrosiv und umweltgefährdend. Dies stellt hohe Anforderungen an die Sicherheitstechnik während des Transports und der Lagerung.

Schlussbetrachtung und Abwägung

Ammoniak bietet als Wasserstoffspeicher den Vorteil einer hohen Energiedichte und einer einfachen Handhabung im globalen Transportwesen. Dennoch müssen die energetischen Verluste bei der chemischen Umwandlung gegen die Vorteile der einfacheren Logistik abgewogen werden. Solange der Transport von reinem Flüssigwasserstoff technisch aufwändiger und teurer ist als der chemische Umweg über stellt Ammoniak eine ökonomisch sinnvolle Brückentechnologie für den Import „grüner“ Energie dar.

Reaktionsgleichung

Bei der Verbrennung von Ammoniak mit Sauerstoff entstehen gasförmiger Stickstoff und Wasserdampf:

Berechnung der Reaktionsenthalpie für Ammoniak

Zunächst wird die molare Standardreaktionsenthalpie mithilfe der Bildungsenthalpien aus Material V berechnet:

Dieser Wert bezieht sich auf den Umsatz von Für ergibt sich:

Stoffmenge von Ammoniak:

Gesamtenthalpie für

Begründung der Freiwilligkeit (Gibbs-Helmholtz)

Eine Reaktion verläuft freiwillig (spontan), wenn die freie Reaktionsenthalpie negativ ist Es gilt:

1. Enthalpieterm: ist negativ (exotherm), was den Prozess energetisch begünstigt.

2. Entropieterm: Die molare Standardreaktionsentropie berechnet sich zu:

   

   Da die Entropie zunimmt ist der Term bei allen Temperaturen negativ.

Fazit:

Da sowohl der Enthalpieterm negativ als auch der Entropieterm negativ ist, ist bei jeder Temperatur kleiner als Null und die Reaktion exergonisch. Die Verbrennung von Ammoniak verläuft somit unabhängig von der Temperatur immer freiwillig.

Analyse von Düngemittel 1: Ammoniumsulfat

Ammoniumsulfat dissoziiert im feuchten Boden vollständig in seine Ionen:

Das Sulfat-Ion ist die korrespondierende Base einer starken Säure und besitzt daher keinen nennenswerten Einfluss auf den pH-Wert. Das Ammonium-Ion hingegen reagiert als schwache Brønsted-Säure und gibt Protonen an die Wassermoleküle der Bodenlösung ab (Protolyse):

Durch die Zunahme der Oxonium-Ionen-Konzentration sinkt der pH-Wert des Bodens deutlich ab; das Düngemittel wirkt somit sauer.

Analyse von Düngemittel 2: Kalkammonsalpeter

Dieses Düngemittel enthält zwei wirksame Komponenten: Ammoniumnitrat und Calciumcarbonat

1. Wirkung des Ammoniumnitrats:

   Das Salz dissoziiert in und Analog zu Düngemittel 1 führt die Protolyse des Ammonium-Ions zur Bildung von Oxonium-Ionen, wodurch der pH-Wert sinkt:

   

   Das Nitrat-Ion verhält sich protolytisch neutral.

2. Wirkung des Calciumcarbonats (Kalk):

   Calciumcarbonat dissoziiert in Calcium-Ionen und Carbonat-Ionen

   

   Während keinen Einfluss auf den pH-Wert hat, fungiert das Carbonat-Ion als Base und nimmt Protonen vom Wasser auf:

   

   Die hierbei entstehenden Hydroxid-Ionen lassen den pH-Wert steigen.

In Kalkammonsalpeter werden die durch die -Ionen freigesetzten Oxonium-Ionen also durch die vom Carbonat erzeugten Hydroxid-Ionen neutralisiert Da sich die saure und die basische Wirkung nahezu kompensieren, hat dieses Düngemittel kaum Auswirkungen auf den pH-Wert des Bodens.