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Herstellung von Ammoniak - so funktioniert's großtechnisch

Die Herstellung von Ammoniak, das als Grundmittel für viele Dünger genutzt wird, erscheint auf den ersten Blick einfach. Allerdings hat die Synthese einige Tücken.

Ammoniak ist die Grundlage vieler Düngemittel.
Ammoniak ist die Grundlage vieler Düngemittel.

Was Sie benötigen:

  • eigentlich nur Interesse und Zeit
  • sowie Grundkenntnisse "Chemie"

Ammoniak - das sollten Sie wissen

  • Ammoniak gehört zu den wichtigsten und einfachsten Verbindungen des Stickstoffs mit Wasserstoff.
  • Die chemische Formel für Ammoniak lautet NH3 - das heißt, jedes Ammoniak-Molekül besteht aus drei Wasserstoffatomen und einem Stickstoffatom. Ammoniak ist ein farbloses Gas, das durch seinen stechenden Geruch auffällt. 
  • Ammoniak wurde schon 1774 von Joseph Priestey, einem englischen Naturforscher, der auch den Sauerstoff entdeckte, dargestellt. Dieser erhitzte Salmiak (NH4Cl) mit Kalk und fing die flüchtige Verbindung über Quecksilber auf. Allerdings muss die Ausbeute bei diesem aufwendigen Verfahren extrem gering gewesen sein.
  • Ammoniak ist der Grundstoff für viele Kunstdünger. Seine Herstellung ist also großtechnisch überaus wichtig, sodass es galt, ein günstiges Verfahren für die Herstellung von Ammoniak zu finden.

Das Haber-Bosch-Verfahren - so gelingt die Herstellung technisch

  • Das wichtigste Verfahren zur technischen (!) Herstellung von Ammoniak ist die in den Jahren 1903-1909 von dem deutschen Chemiker Fritz Haber für den Laboratoriumsmaßstab ausgearbeitete Synthese. Das ersonnene Verfahren wurde dann von dem Industriellen Carl Bosch verfeinert und verbessert und ist heute als Haber-Bosch-Synthese bekannt. Haber erhielt übrigens 1918 und Bosch 1931 jeweils den Nobelpreis für Chemie.
  • Drei Wasserstoffatome und ein Stickstoffatom ergibt Ammoniak? So leicht ist die Herstellung des wichtigen Grundstoffes leider nicht. Denn mischt man die beiden Gase, so passiert gar nichts (oder nicht sehr viel). Obwohl die Reaktion exotherm, sprich: mit Energiegewinn, abläuft:  3 H2 + N2 ↔ 2NH3 + 22,04 kcal.
  • Mit fallender Temperatur und steigendem Druck verlagert sich das Gleichgewicht der Reaktion nach rechts. Dementsprechend würde man bei Zimmertemperatur eine relativ gute Ammoniakausbeute erwarten. Bei dieser niedrigen Temperatur ist aber die Geschwindigkeit der Umsetzung der beiden Ausgangsstoffe extrem klein. Selbst Katalysatoren wirken auf die Reaktion erst ab 400°C beschleunigend.
  • Bei der Herstellung ist man also gezwungen, bei einer Temperatur von mindestens 400°C (zweckmäßig sogar 500°C) zu arbeiten. Bei dieser hohen Temperatur beträgt die Ausbeute an Ammoniak unter normalem Luftdruck jedoch nur 0,13 Volumen%, was technisch völlig uninteressant ist.
  • Um die Ausbeute technisch tragbar zu gestalten, ist es daher erforderlich, einen hohen Druck (200 Atmosphären) anzuwenden, wodurch sich die Ausbeute auf über 17 Volumenprozent erhöht. Sprich: Die großtechnische Herstellung von Ammoniak ist nur bei hohen Temperaturen im sog. Hochdruckverfahren möglich. 
  • Als Ausgangsstoff zur Gewinnung des benötigten Stickstoffs und Wasserstoffs kann Luft bzw. Wasser dienen, dem in beiden Fällen der Sauerstoff entzogen werden muss (Reduktion durch das bei der Kohleverbrennung entstehenden Kohlenmonoxid CO). Wasserstoff kann auch aus der Zerlegung von Methan gewonnen werden.
  • Die Synthese findet dann aus dem reinen Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch bei einer Temperatur von 500°C und 200 atm in hohen Stahlrohren (sog. Ammoniak-Kontaktöfen mit Katalysatorwänden aus speziellem Eisen, die die Gase kurzfristig an der Oberfläche binden und zur Reaktion bringen) statt.
  • Das Gas wird dem Ofen dann entzogen und durch Kühlung verflüssigt (kommt in grauen Stahlbomben unter Druck zum Verkauf).
  • In trockener Form kann das Ammoniak mit Säuren zu festen Ammoniumsalzen (Ausgangsstoff für Dünger) umgesetzt werden.
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