Ein bekanntes und wichtiges chemisches Verfahren ist das Haber-Bosch-Verfahren. Man braucht es für die Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff. Alle wichtigen Infos rund um das Haber-Bosch-Verfahren und die Ammoniak-Herstellung.
Jährlich werden weltweit ca. 147 Millionen Tonnen Ammoniak hergestellt, da ist es ja klar, dass das Haber-Bosch-Verfahren so eine wichtige Erfindung ist. Ammoniak ist ein Ausgangsstoff für ganz viele Produkte. Zum Beispiel Düngemittel, Arzneimittel oder Zell- und Kunststoff.
Benannt wurde das Verfahren zum Ammoniaksynthese nach seinen Entwicklern, Fritz Haber und Carl Bosch. Entwickelt hatten sie das Haber Bosch Verfahren Anfang des 20. Jahrhunderts und 1908 wurde es als Patent angemeldet.
gehörte zu den einflussreichsten Persönlichkeiten der Chemischen Industrie. Neben seinen wertvollen wissenschaftlichen Beiträgen als Stickstoff- und Ammoniakbeauftragter der BASF nahm er an Verhandlungen zum ersten Weltkrieg teil, wurde Vorstandsvorsitzender der BASF und Gründer und Vorstandsvorsitzender der I.G. Farben. 1931 erhielt er den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung und Entwicklung chemischer Hochdruckverfahren, wie dem Haber Bosch Verfahren.
lehrte zunächst an der TH in Karlsruhe, wo er sich mit der Elektrochemie und später mit der Bildung bzw. Herstellung von Ammoniak beschäftigte. Auch in der Schädlingsbekämpfung und vielen weiteren chemischen Teilbereichen forschte er. Seit 1912 war er durchgehend für den Nobelpreis der Chemie nominiert, den er schließlich 1918 erhielt. Im ersten Weltkrieg entwickelte und überwachte er Giftgasanschläge, was ihm den Titel „Erfinder des Gaskrieges“ einbrachte, woraufhin heftig über seinen Nobel-Sieg diskutiert wurde.<
1933 verließ Fritz Haber Deutschland, um in Palästina zu arbeiten, nachdem er als gebürtiger Jude und später konvertierter Protestant seine jüdischen Mitarbeitenden entlassen musste. Aus gesundheitlichen Gründen kam es jedoch nicht dazu, er emigrierte nach England, um dort zu lehren.
Die Reaktionsformel für die Herstellung von Ammoniak lautet
N2 + 3H2 → 2 NH3
Beides, also Stickstoff und Wasserstoff, ist in der Natur reichlich vorhanden. Stickstoff in unserer Luft und Wasserstoff im Wasser. Sie reagieren jedoch normalerweise nicht miteinander. Dafür sind im Verlauf des Haber Bosch Verfahren einfach gesagt drei Dinge notwendig: hoher Druck, hohe Temperaturen und ein Katalysator.
Der Stickstoff, welcher für die Ammoniak Herstellung benötigt wird, wird heute durch das Linde-Verfahren gewonnen, für die Wasserstoffgewinnung gibt es verschiedene Verfahren, die Elektrolyse, also die Zerlegung in Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe von elektrischer Energie, ist dabei eines der häufig angewendeten.
Wichtig ist für die Ammoniaksynthese, dass mehr Stickstoff als Wasserstoff hinzugegeben wird. Nur so kann in der Gleichgewichtsreaktion mehr Produkt entstehen.
Im Rahmen der Ammoniak Herstellung wird ein Katalysator benötigt. Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie und steigert gleichzeitig die Reaktionsgeschwindigkeit. Wie genau das funktioniert, erklären wir hier! Damit Stickstoff und Sauerstoff zu genügend Ammoniak reagieren, bräuchte es eine Temperatur von 1.000° Celsius. Mit Katalysator kann die Temperatur halbiert werden. Ein Katalysator nimmt selbst nicht an der Reaktion teil. Beim Haber-Bosch-Verfahren wird in der Regel ein poröser Eisenkatalysator benutzt, da dieser eine große Oberfläche hat, an der das Gas dann reagieren kann.
Nach dem Prinzip von Le Chatelier, das besagt, dass sich ein Gleichgewicht ändert, wenn etwa Temperatur und Druck verändert werden, ist die Ausbeute des Produktes, also Ammoniak, kleiner, wenn die Temperatur steigt. Wir brauchen aber hohe Temperaturen, damit sich unsere Ausgangsstoffe zu Ammoniak verbinden. Erhöhen wir nun den Druck, können wir den Verlust durch die Temperatur ausgleichen und enthalten mehr Ammoniak. Im Haber-Bosch-Verfahren wird der Druck daher auf mindestens 200 Bar erhöht.
Aber wie läuft nun das Haber-Bosch-Verfahren ab? Bei der Ammoniaksynthese gibt es mehrere Stationen.
Als erstes wird in einem Kompressor der nötige Druck erzeugt, der das Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff komprimiert. In einem Gasreiniger werden zum Beispiel Schwefelverbindungen und Kohlenmonoxid herausgereinigt.
Dann wird das erhitzte Gasgemisch in den Kontaktofen geleitet, wo es auf den Katalysator trifft. Hier findet nun die Ammoniaksynthese statt.
Auch das gewonnene Ammoniak ist gasförmig und ebenfalls erhitzt. Daher wird es nun in den Kühler geleitet. Hier findet ein Wärmeaustausch in mehreren Schritten statt.
Ist das Gas erkaltet, kommt es in den sogenannten Abscheider, wo es von dem übrigen Gas, das nicht reagiert hat, getrennt wird. Denn es entstehen nur aus ca. 20 % der Ausgangsstoffe Ammoniakgase.
Am herausragendsten ist die Bedeutung von Ammoniak als Grundstoff für Düngemittel. Mithilfe des Haber-Bosch-Verfahren können jährlich Milliarden Menschen ernährt werden. Es gibt Annahmen, die davon ausgehen, dass die Weltbevölkerung ohne die Düngemittelherstellung heute nur etwa halb so groß wäre und sie sich ohne weitere Düngemittel auf 2 Milliarden Menschen reduzieren würde. Es gibt jedoch auch einige große Schattenseiten. Im ersten und zweiten Weltkrieg wurde das Haber-Bosch-Verfahren vor allem zur Sprengstoffherstellung genutzt und hat damit unzählige Menschenleben gekostet.
Außerdem ist es auch aus Umweltsicht kritisch zu betrachten, da eine hohe Stickstoffkonzentration im Boden die Artenvielfalt mindert und Ökosystemen erheblichen Schaden zuführen kann. Zudem gelten Ammoniak und Stickstoff als Treibhausgase und ozonschichtschädigend.
Deshalb wird weiter geforscht, an Katalysatoren, die weniger Energie brauchen und an der Umweltverträglichkeit. Das Haber-Bosch-Verfahren ist vielleicht das Verfahren, das die Welt in den letzten hundert Jahren am meisten verändert hat. Kein Wunder, dass es mit gleich drei Nobelpreisen in Verbindung steht.