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Haber-Bosch-Verfahren
Das Haber-Bosch-Verfahren wurde zwischen 1905 und 1913 von dem deutschen Chemiker Fritz Haber und dem Ingenieur Carl Bosch entwickelt. Die Erfindung geht aber eigentlich auf Wilhelm Ostwald zurück, der 1900 ein Patent dazu anmeldete und das Patent an die BASF verkaufte. Das Ammoniak wird bei diesem Verfahren aus Stickstoff und Wasserstoff hergestellt.
 
  
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Haber und Bosch fanden durch langjährige Versuche heraus, dass für die Gleichgewichts-Reaktion zwischen Stickstoff und Wasserstoff unter folgenden Bedingungen am meisten Ammoniak gebildet wird: 

1. Bei einer Temperatur von 550°C 
2. Unter sehr hohem Druck von 150 bis 250 bar 
3. Bei einem Überschuss von Stickstoff (Hinweis: Das stöchiometrische Verhältnis bei der Reaktion zwischen Stickstoff und Wasserstoff wäre nach der Theorie 1:3, allerdings wird in der Praxis mehr Stickstoff zugegeben) 
4. Beim Vorliegen eines Katalysators 

Bei sehr hohem Druck verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts und die Ausbeute erhöht sich. Hohe Temperaturen verringern nach dem Prinzip von Le Chatelier jedoch wieder die Ausbeute. Daher wählt man einen Mittelweg und setzt Katalysatoren ein. Erst wenn alle vier Reaktionsbedingungen gleichzeitig vorliegen, ist die Ausbeute an Ammoniak optimal.

1. In einer Pumpe, einem Kompressor, wird das Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff auf den notwendigen Druck komprimiert. 
  
2. In einem Gasreiniger wird das Gasgemisch von unerwünschten Verunreinigungen wie Schwefelverbindungen oder Kohlenmonoxid gereinigt. 
  
3. Im Kontaktofen läuft die eigentliche Reaktion nach der oben beschriebenen Reaktionsgleichung ab. In einem zylinderförmigen, druckfesten Reaktionsrohr wird das Gasgemisch unter hohem Druck auf bis zu 500°C erhitzt. Dabei strömt das Gasgemisch an einer mit dem Katalysator beschichteten Fläche vorbei und reagiert zu Ammoniakgas. Der Katalysator besteht aus einem Gemisch von Eisenoxid und Aluminiumoxid. Außen ist das Reaktionsrohr mit druckbeständigem, dickem Stahl verstärkt. Innen darf kein Stahl verwendet werden, weil der Wasserstoff mit dem im Stahl enthaltenen Kohlenstoff reagieren würde. Deshalb besteht das Innenrohr aus kohlenstoffarmem, reinen Eisen. 
  
4. Im Kühler wird das noch heiße Ammoniakgas abgekühlt.  

5. Im Abscheider wird das Ammoniakgas von nicht umgesetzten Ausgangsprodukten (Wasserstoff und Stickstoff) getrennt. Im Kontaktofen setzen sich trotz optimaler Reaktionsbedingungen nur etwa 15% der Ausgangsstoffe in Ammoniak um. Die nicht umgesetzten Rest-Gase werden an der Stelle (6) wieder eingeführt.

Das Gas Ammoniak mit der Formel NH3 ist in der Chemie ein wichtiges Zwischenprodukt. 90% aller Düngemittel werden heute aus Ammoniak gewonnen. Außerdem kann man aus Ammoniak Salpetersäure herstellen. Wasserstoff und Stickstoff lassen sich aus Erdgas nach der Synthesegas-Erzeugung gewinnen.

 
Fritz Habers erste Versuchsanlage zur Ammoniaksynthese,
ausgestellt im Deutschen Museum in München
  
  
Die Ammoniaksynthese im Modellversuch 
  
In einigen Experimentierbüchern wird eine Synthese von Ammoniak aus den Elementen beschrieben. Mit Hilfe der Entnahmeventile an den Gasflaschen wird der Gasstrom so eingestellt, dass etwa dreimal so viel Wasserstoff wie Stickstoff zusammengemischt werden. Die Kontrolle erfolgt über die Blasenzählung in den beiden Gaswaschflaschen, in denen sich Paraffinöl befindet. 
  

Modellversuch

Wasserstoff und Stickstoff werden im Verhältnis 1:3 über einen Cereisenkatalysator im Verbrennungsrohr geleitet.

Modellversuch

Nach dem Erhitzen des Katalysators färbt sich die Phenolphthaleinlösung pink.
  
Die Nachahmung des Versuchs ist nur mit einer ausführlichen Anleitung aus einem Experimentierbuch zu empfehlen. Eine Schutzscheibe ist notwendig, eine Durchführung im Abzug empfehlenswert. Film erhältlich auf >DVD
  
  
Nach einer Weile wird an der Entnahmedüse ganz rechts an der Apparatur die Knallgasprobe durchgeführt. Erst wenn diese negativ verläuft, wenn also kein Sauerstoff mehr in der Apparatur vorhanden ist, kann der austretende Wasserstoff gezündet werden. In der nach dem Reaktionsrohr nachgeschalteten Gaswaschflasche befindet sich eine wässrig-alkoholische Phenolphthaleinlösung. 
  
Nun wird der Brenner gezündet und der Katalysator im Reaktionsrohr erhitzt. Er beginnt zu glühen und allmählich färbt sich die Phenolphthaleinlösung pink. Dies ist darauf zurückzuführen, dass im Reaktionsrohr der Stickstoff mit dem Wasserstoff zu Ammoniak reagiert, das sich im Wasser der nachgeschalteten Waschflasche zu Ammoniaklösung löst. Das Phenolphthalein zeigt die entstehende, alkalische Lösung an. 
  
  
Weitere Informationen 
  
Geschichte der Ammoniaksynthese 
Ammoniak 
Düngemittel 
Stickstoff 
Synthesegas-Erzeugung 

 
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