Zwei wichtige industrielle Verfahren
| Verfahren | Hauptreaktion | Optimale Bedingungen |
|---|---|---|
| Haber-Bosch-Verfahren | N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 | Eisenkatalysator, 450 °C, 300 bar |
| Kontaktverfahren | 2SO2 + O2 ⇌ 2SO3 | Katalysator V2O5, 450 °C, 1–2 atm |
Beide Reaktionen sind umkehrbar und exotherm, und die Stoffmenge des Gases nimmt im Verlauf ab. Deshalb wirken sich geänderte Bedingungen auf beide Reaktionen gleich aus.
Warum werden diese Bedingungen gewählt?
| Änderung | Ausbeute | Geschwindigkeit |
|---|---|---|
| Temperatur erhöhen | sinkt | steigt |
| Druck erhöhen | steigt | steigt |
| Katalysator zugeben | ändert sich nicht | steigt |
Bei niedriger Temperatur ist die Ausbeute hoch, aber die Reaktion zu langsam. Deshalb wählt man mittlere Bedingungen von etwa 450 °C. Das Haber-Bosch-Verfahren braucht hohen Druck, beim Kontaktverfahren erreicht die Ausbeute dagegen schon bei 1–2 atm 99.5%, sodass eine Druckerhöhung teuer und unnötig wäre.
Am Ende des Kontaktverfahrens wird SO3 nicht direkt in Wasser aufgenommen, weil dabei ein Säurenebel entsteht. Es wird zuerst in konzentrierter Schwefelsäure zu Oleum H2S2O7 aufgenommen und dann mit Wasser verdünnt.
In echten Anlagen schwankt der Druck, und beim Haber-Bosch-Verfahren sind auch etwa 200 atm möglich. Bei einem Durchgang werden nur etwa 15% des Stickstoffs und Wasserstoffs zu Ammoniak, aber das nicht umgesetzte Gas wird zurückgeführt, sodass insgesamt etwa 98% erreicht werden. Die Ausbeutewerte im Simulator stammen aus einem Modell, das die Effekte zeigt. Sie stimmen also nicht mit diesen echten Werten überein.
Stell die Bedingungen in der App Nalukh chem ein
Ändere Temperatur und Druck und vergleiche Ausbeute und Geschwindigkeit. Dieser Simulator gehört zum Vollzugriff. Der Download ist kostenlos, und 2 Kapitel und 5 Simulatoren sind ohne Anmeldung nutzbar.
Wie benutzt du den Simulator?
- Tippe links in der Liste auf ein Verfahren. Es gibt 8 Verfahren: Schwefelsäure, Ammoniak, Salpetersäure, Kalk, Zement, Stahl, Zink und Schwefel.
- Wechsle im Modus Erkunden mit dem linken und rechten Pfeil im mittleren Feld zwischen den Schritten. Rechts erscheinen Bedingungen, Gleichung und Erklärung. Ein Schritt ohne Reaktion ist mit Physikalischer Schritt gekennzeichnet.
- Wähle im Modus Einstellen das Haber-Bosch-Verfahren oder das Kontaktverfahren. Für die anderen sechs Verfahren funktioniert dieser Modus nicht.
- Verschiebe die Regler Temperatur und Druck und schalte den Katalysator mit dem Button ein oder aus. Ausbeute und Geschwindigkeit ändern sich sofort. Der Button Optimal stellt die Ausgangsbedingungen wieder her.
- Der Modus Test hat 6 Fragen: Schritte ordnen, Bedingungen wählen und Reaktionen erkennen.
Aufgaben für den Simulator
- Stell ausgehend von den Bedingungen Optimal des Haber-Bosch-Verfahrens die Temperatur auf etwa 350 °C ein. Beobachte, wie Ausbeute steigt und Geschwindigkeit sinkt. Warum wählen Anlagen keine niedrige Temperatur?
- Schalte den Katalysator-Button aus. Ausbeute bleibt gleich, und Geschwindigkeit sinkt stark.
- Stell beim Kontaktverfahren die Temperatur auf 550 °C ein. Die Ausbeute sinkt von 99.5% auf 88%.
- Geh im Modus Erkunden die Schritte des Hochofens durch und finde heraus, was Hämatit reduziert. Antwort: Kohlenstoffmonoxid, CO.
