Ammoniaksynthese und Ostwaldverfahren einfach erklärt – Reaktionsgleichungen, Katalysatoren und mehr

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Leonie

7.3.2021

Chemie

Ammoniaksynthese und Ostwaldverfahren

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Chemie

Chemische reaktionen und ihre mechanismen

Oxidation von alkanolen

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Ammoniaksynthese und Ostwaldverfahren einfach erklärt – Reaktionsgleichungen, Katalysatoren und mehr

Die Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren ist ein wichtiger industrieller Prozess zur Herstellung von Ammoniak. Stickstoff und Wasserstoff reagieren dabei unter hohem Druck und hoher Temperatur zu Ammoniak. Das Ostwald-Verfahren nutzt Ammoniak zur Produktion von Salpetersäure.

Wichtige Aspekte:

Exotherme Reaktion: N₂ + 3H₂ → 2NH₃
Optimale Bedingungen: 450-500°C, 30 MPa Druck, Eisenoxid-Katalysator
Gleichgewichtsreaktion wird durch niedrige Temperatur und hohen Druck begünstigt
Technische Umsetzung mit Kreislaufprinzip und thermischem Gegenstrom
Ostwald-Verfahren oxidiert Ammoniak zu Stickstoffoxiden und schließlich zu Salpetersäure

7.3.2021

AMMALLAVCWITHESE
mmoniak syn
a
ALL VIVIAIN
GRUNDLAGEN
1 Reaktionsgleichung: U₂(g) + 3H₂(g) 2013 (g)
2.Reaktionswärme exotherm
3. Volumenverh

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Das Ostwald-Verfahren zur Salpetersäureherstellung

Das Ostwald-Verfahren ist ein wichtiger industrieller Prozess zur Herstellung von Salpetersäure aus Ammoniak. Es besteht aus drei Hauptschritten:

Ammoniak-Oxidation: Ammoniak (NH₃) wird mit Sauerstoff (O₂) bei 600-700°C an einem Platin-Rhodium-Katalysator zu Stickstoffmonoxid (NO) und Wasser (H₂O) oxidiert.

Highlight: Die Reaktionszeit muss extrem kurz sein (ca. 1/1000 Sekunde), um den Zerfall des Stickstoffmonoxids zu verhindern.
Stickstoffmonoxid-Oxidation: Das Stickstoffmonoxid (NO) wird bei Temperaturen unter 50°C weiter mit Sauerstoff (O₂) zu Stickstoffdioxid (NO₂) oxidiert.

Vocabulary: Oxidation - Chemische Reaktion, bei der ein Stoff Elektronen abgibt oder Sauerstoff aufnimmt.
Salpetersäurebildung: In Rieseltürmen reagiert das Stickstoffdioxid (NO₂) mit Wasser zu Salpetersäure (HNO₃). Dabei entstehen als Zwischenprodukte Stickstoffmonoxid (NO) und salpetrige Säure (HNO₂).

Example: Die Gesamtreaktion lautet: 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

Eine unerwünschte Nebenreaktion ist die Oxidation von Ammoniak zu elementarem Stickstoff und Wasser:

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O

Definition: Ostwald-Verfahren - Industrielles Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure aus Ammoniak, benannt nach Wilhelm Ostwald.

Das Verfahren nutzt verschiedene Apparaturen:

Ammoniakverbrennungsofen mit Katalysator
Oxidationsturm
Absorptionsturm mit Raschig-Ring-Schichten

Highlight: Die Reaktionsbedingungen werden sorgfältig kontrolliert, um die Ausbeute zu optimieren und unerwünschte Nebenreaktionen zu minimieren.

Die Ammoniak-Sauerstoff-Redoxreaktion ist der Schlüsselschritt im Ostwald-Verfahren. Sie ermöglicht die effiziente Umwandlung von Ammoniak in Stickoxide, die dann zur Salpetersäureproduktion genutzt werden.

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Das Ostwald-Verfahren zur Salpetersäureherstellung

Das Ostwald-Verfahren ist ein wichtiger industrieller Prozess zur Herstellung von Salpetersäure aus Ammoniak. Es besteht aus drei Hauptschritten:

Ammoniak-Oxidation: Ammoniak (NH₃) wird mit Sauerstoff (O₂) bei 600-700°C an einem Platin-Rhodium-Katalysator zu Stickstoffmonoxid (NO) und Wasser (H₂O) oxidiert.

Highlight: Die Reaktionszeit muss extrem kurz sein (ca. 1/1000 Sekunde), um den Zerfall des Stickstoffmonoxids zu verhindern.
Stickstoffmonoxid-Oxidation: Das Stickstoffmonoxid (NO) wird bei Temperaturen unter 50°C weiter mit Sauerstoff (O₂) zu Stickstoffdioxid (NO₂) oxidiert.

Vocabulary: Oxidation - Chemische Reaktion, bei der ein Stoff Elektronen abgibt oder Sauerstoff aufnimmt.
Salpetersäurebildung: In Rieseltürmen reagiert das Stickstoffdioxid (NO₂) mit Wasser zu Salpetersäure (HNO₃). Dabei entstehen als Zwischenprodukte Stickstoffmonoxid (NO) und salpetrige Säure (HNO₂).

Example: Die Gesamtreaktion lautet: 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

Eine unerwünschte Nebenreaktion ist die Oxidation von Ammoniak zu elementarem Stickstoff und Wasser:

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O

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Grundlagen der Ammoniaksynthese

Die Ammoniaksynthese ist ein zentraler Prozess in der chemischen Industrie. Die Reaktionsgleichung lautet N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g). Diese exotherme Reaktion setzt Wärme frei. Das Volumenverhältnis von Ausgangsstoffen zu Produkten beträgt 4:2.

Highlight: Die Bildung von Ammoniak wird durch niedrige Temperaturen und hohen Druck begünstigt.

Die Reaktionsbedingungen beeinflussen das chemische Gleichgewicht:

Temperaturerniedrigung fördert die Ammoniakbildung
Temperaturerhöhung begünstigt den Ammoniakzerfall
Druckerhöhung fördert die Ammoniakbildung
Druckerniedrigung begünstigt den Ammoniakzerfall

Vocabulary: Katalysator - Ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, ohne selbst verbraucht zu werden.

Der verwendete Katalysator ist bei 400-500°C am wirksamsten. Für eine hohe Ammoniakausbeute sind niedrige Temperaturen und hoher Druck optimal.

Die technische Herstellung von Ammoniak erfolgt in mehreren Schritten:

Herstellung des Synthesegases aus Erdgas, Wasserdampf und Luft
Reaktion von Kohlenstoff mit Wasser zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid
Abtrennung des Kohlenstoffdioxids
Zuleitung des Wasserstoff-Stickstoff-Gemischs in den Reaktor
Ammoniakbildung unter hohem Druck und hoher Temperatur
Verflüssigung und Abtrennung des Ammoniaks
Rückführung nicht umgesetzten Synthesegases

Die optimalen Reaktionsbedingungen für das Haber-Bosch-Verfahren sind:

Temperatur: 450°C-500°C
Druck: 30 MPa
Katalysator: Eisenoxidmischkatalysator (Fe₃O₄)

Definition: Haber-Bosch-Verfahren - Industrielles Verfahren zur Ammoniaksynthese, benannt nach Fritz Haber und Carl Bosch.

Die Arbeitsweise des Verfahrens basiert auf drei Prinzipien:

Thermischer Gegenstrom: Vorwärmung des kalten Synthesegases durch heißes Reaktionsgas
Kontinuierliche Arbeitsweise: Ununterbrochener Reaktionsablauf
Kreislaufprinzip: Rückführung nicht umgesetzter Ausgangsstoffe

Example: Bei der Ammoniaksynthese wird ein Gemisch aus einem Teil Stickstoff und drei Teilen Wasserstoff verwendet, was dem stöchiometrischen Verhältnis der Reaktion entspricht.

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Grundlagen der Ammoniaksynthese

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