Chemisches Gleichgewicht und Ammoniaksynthese

Chemisches Gleichgewicht

Die meisten chemischen Reaktionen laufen nicht vollständig ab, sondern führen zu einem Gleichgewicht, in dem Ausgangsstoffe und Endstoffe nebeneinander vorliegen. Hin- und Rückreaktion laufen dann mit gleicher Geschwindigkeit ab. Es handelt sich um ein dynamisches Gleichgewicht.

Gleichgewichtskonstante: K = C(Produkte) / C(Edukte)

• k < 1: C(Edukte) größer
• k > 1: C(Produkte) größer
• k ≈ 1: C(beide) gleich

Verschiebung des Gleichgewichts

Die Lage eines Gleichgewichts ist abhängig von:

• Temperatur
• Konzentration der beteiligten Stoffe
• Druck (bei Gasreaktionen mit Änderung der Teilchenanzahl)

Durch Veränderung dieser Faktoren lässt sich die Lage des Gleichgewichts verschieben.

Einfluss der Temperatur:

• Temperaturerhöhung: Verschiebung in Richtung der endothermen Reaktion (Produkte bei endothermer Reaktion, Edukte bei exothermer Reaktion).
• Temperaturerniedrigung: Verschiebung in Richtung der exothermen Reaktion (Produkte bei exothermer Reaktion, Edukte bei endothermer Reaktion).

Einfluss der Konzentration/des Drucks:

• Konzentrationserhöhung: Verschiebung in Richtung der Seite mit geringerer Teilchenanzahl.
• Konzentrationserniedrigung: Verschiebung in Richtung der Seite mit größerer Teilchenanzahl.
• Druckänderungen wirken sich analog zur Konzentration aus (nur bei Gasreaktionen relevant).

Prinzip von Le Chatelier

Nach dem Prinzip von Le Chatelier führt die Störung eines Gleichgewichts durch Änderung der Reaktionsbedingungen zu einer Verschiebung des Gleichgewichts in die Richtung, die der Störung entgegenwirkt.

Ammoniaksynthese

Mehr Produkt (NH₃) erreichen durch:

• Druckerhöhung
• Konzentrationserhöhung der Edukte
• Entzug von NH₃ aus dem Gleichgewicht
• Temperaturerniedrigung

Kompromisse:

• Zu hohe Temperatur: Verschiebung des Gleichgewichts auf die Seite der Edukte.
• Zu niedrige Temperatur: Reaktion zu langsam.
• Bestimmte Temperatur notwendig, um die N₂-Moleküle zu spalten.

Eigenschaften:

• Durchführung bei ca. 450 °C.
• N₂-Molekül ist aufgrund der Dreifachbindung sehr stabil/träge.
• Erforderliche Reaktionsgeschwindigkeit trotz guter Katalysatoren erst bei höherer Temperatur erreichbar.
• Volumenverhältnis 1:3 (N₂:H₂).

Haber-Bosch-Verfahren

Erzeugung des Synthesegases

1. CH₄ und H₂O in den Primärreformer (700–800 °C).
2. O₂ und N₂ in den Sekundärreformer.
3. Produkt: H₂, N₂, CH₄, CO₂, CO.

Reinigung des Synthesegases

1. CO wird zu CO₂ konvertiert (Konvertierung).
2. H₂, N₂, CO₂ in Gaswäsche (H₂O und CO₂ werden entfernt).
3. Produkt: H₂, N₂ (Frischgas).

Erzeugung und Abscheidung von NH₃

1. Gase in den Kompressor, dann Vorwärmer und in den Reaktor mit Eisen-Katalysator (400–500 °C / 150–200 bar).
2. Produkt: H₂, N₂, NH₃.
3. NH₃ wird gekühlt und aus dem Prozess herausgenommen (flüssig).
4. Andere Gase werden erneut in den Kompressor eingemischt und zur Erzeugung von NH₃ benutzt.