Beim Haber-Bosch-Verfahren erzeugen Forschende mithilfe eines Katalysators ein neuartiges Gas. Jeden Tag nehmen sie eine kleine Änderung am Katalysator vor, in der Hoffnung, ein neues Gas zu schaffen, das sie in der Technologie verwenden können. Mit diesen Fortschritten könnte man etwa neue Treibstoffe für Autos entwickeln.

Grundlagen des Haber-Bosch-Verfahrens

Praktisch alle stickstoffatomhaltigen Moleküle werden letztlich aus Ammoniak hergestellt, da das Haber-Bosch-Verfahren bisher das einzig sinnvolle Verfahren ist, den Stickstoff aus der Luft chemisch nutzbar zu machen. Du stellst Dir nun bestimmt konkreter die Frage, warum dieses Verfahren so wichtig geworden ist.

Zunächst einmal siehst Du hier die wichtigsten Ammoniak-Folgeprodukte:

• Kunstdünger
• Salpetersäure
• und in Folge Sprengstoffe, Farbstoffe u.v.m.

Vor dem Haber-Bosch-Verfahren wurde also innerhalb der Landwirtschaft der notwendige Stickstoff für das Pflanzenwachstum in Form von tierischem Kot zugeführt. Das anhaltende Wachstum der Weltbevölkerung seit dem 19. Jahrhundert schuf eine gewaltige Nachfrage nach natürlichem Düngemittel. Diese aber nicht mehr auf natürlichem Wege befriedigt werden konnte, stellte das Haber-Bosch-Verfahren eine geeignete Art und Weise dar, einer unvorstellbaren Hungersnot zu entgehen. Das Haber-Bosch-Verfahren ermöglicht es, Luftstickstoff großtechnisch und kostengünstig in Ammoniak und dessen Folgeprodukte umzuwandeln.

Das bedeutet folglich, dass es ohne die Ammoniaksynthese nicht möglich wäre, die heutige Weltbevölkerung zu ernähren. Der Mensch wurde also unabhängig vom natürlichen Stickstoffkreislauf. Vor allem hierin liegt die herausragende Bedeutung des Haber-Bosch-Verfahrens begründet.

Die Ammoniaksynthese des Haber-Bosch-Verfahrens und das chemische Gleichgewicht

Die Reaktionsgleichung für die Synthese von Ammoniak lautet:

Wie funktioniert die Ammoniaksynthese?

• Da die Bildung von Ammoniak eine volumenvermindernde Reaktion ist, kommt es durch einen hohen Druck zu einer Erhöhung der Ammoniakkonzentration.
• Da es sich bei der Bildung von Ammoniak um eine exotherme Reaktion handelt, kommt es durch niedrige Temperaturen zu einer Erhöhung der Ammoniakkonzentration.
• Problem: Bei niedriger Temperatur ist die Reaktionsgeschwindigkeit sehr gering und bei hoher Temperatur verschiebt sich die Gleichgewichtslage zur Eduktseite.
• Eine weitere Möglichkeit, die Ammoniakausbeute zu erhöhen, ist die Entfernung von Ammoniak aus dem Reaktionsgemisch, also die Verringerung der Ammoniakkonzentration.

Katalysator und Aktivierungsenergie

Damit diese Reaktionen ablaufen können, helfen dabei sogenannte Katalysatoren. Ein Katalysator senkt die Energiemenge, die benötigt wird, damit zwei Stoffe miteinander reagieren können. Diese benötigte Energie wird als Aktivierungsenergie bezeichnet.

Dabei siehst Du hier in Rot markiert, wie hoch die Aktivierungsenergie ohne Katalysator sein müsste, damit die Edukte miteinander reagieren.

Durch den Katalysator verringert sich diese benötigte Energie erheblich, wie Du in der Abbildung in Grün sehen kannst.

Dadurch dass die Aktivierungsenergie nach der Zugabe des Katalysatoren verringert wurde, läuft die Reaktion damit viel schneller ab und es muss auch weniger zusätzliche Energie in Form von etwa Wärme hinzugegeben werden.

Exotherme Reaktion bei der Bildung von Ammoniak

Jetzt stellt sich jedoch die Frage: Warum benötigt die oben aufgeführte Reaktion so eine hohe Aktivierungsenergie, wenn sie doch exotherm ist und daher normalerweise mehr Energie abgibt, als sie verbraucht?

Die Antwort ist, weil der Stickstoff kinetisch sehr stabil (inert) ist aufgrund der stabilen Stickstoff Dreifachbindung. Deswegen wird Stickstoff auch oft als unreaktives Inertgas verwendet. Je mehr Bindungen ein Molekül besitzt, desto mehr Energie muss auch aufgebracht werden, um jede einzelne Bindung zu lösen. Wenn diese Energie erstmals aufgebracht ist, gelangt die Reaktion auf ein energetisch günstigeres Level. Diese überschüssig frei werdende Energie äußert sich dann meist durch Freigabe von Hitze.

Das Prinzip des kleinsten Zwanges (Le Chatelier)

Bei der Reaktion gibt es immer eine Hinreaktion, also von Edukt zu Produkt und eine Rückreaktion, die genau andersherum verläuft. Je nachdem, ob Du lieber Edukt oder Produkt Deiner Reaktion haben möchtest, kannst Du mit äußeren "Zwängen", auch Einflussfaktoren genannt, beeinflussen, auf welche Seite sich das Gleichgewicht einstellt.

Die drei Einflussfaktoren, die Du nutzen kannst, sind dabei:

• Druck
• Temperatur und
• Konzentration der beteiligten Stoffe

Beim Haber-Bosch-Verfahren wird der Druck genutzt, um das Gleichgewicht auf die Seite der Produkte zu verschieben. Dadurch entsteht leichter das Produkt der Reaktion, also Ammoniak. Das geschieht, da das Gleichgewicht immer dem größten Zwang, beziehungsweise dem größten Stress.

Um das ganze ein wenig anschaulicher zu machen, schaust Du Dir am besten noch einmal die Reaktion an:

Dabei siehst Du, dass auf der Eduktseite insgesamt 4 Moleküle sind, ein Stickstoff und 3 Wasserstoffe. Auf der Produkt-Seite hingegen sind nur 2 Moleküle, nämlich zweimal Ammoniak.

Durch die höhere Anzahl an Molekülen benötigt die Eduktseite auch mehr Platz, als die Produkt-Seite.

Wenn nun also auf die beiden Seiten Druck ausgeübt wird, also der zur Verfügung stehende Platz geringer wird, so ist es für die Eduktseite einfacher den Stress des mangelnden Platzes zu umgehen, indem die Reaktion hin zum Produkt erfolgt. So bewirkt man dann schließlich mit Druckerhöhung die Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak.

Was sind die Synthesebedingungen von Ammoniak beim Haber-Bosch-Verfahren?

Die optimalen bzw. ökonomischsten Reaktionsparameter zur Synthese von Ammoniak wurden bestimmt auf:

• Druck: 200 bar
• Temperatur: 450 °C
• Mengenverhältnis Stickstoff : Wasserstoff = 1 : 3 (da pro Reaktion ein Stickstoffmolekül und 3 Wasserstoffmoleküle benötigt werden)

Wie wird Ammoniak großtechnisch hergestellt?

Entscheidend für den Erfolg des Haber-Bosch-Verfahrens war nun also die kostengünstige Gewinnung der Edukte Wasserstoff und Stickstoff, dem sogenannten Synthesegas:

• Stickstoff wird aus der Luft isoliert.
• Wasserstoff entsteht hauptsächlich aus der Reaktion von Erdgas mit Wasser, wobei letztlich Kohlenstoffdioxid (zunächst Kohlenstoffmonoxid) und Wasserstoff entstehen.

Damit Du Dir den Gewinnungsprozess von Ammoniak noch besser im Detail vorstellen kannst, siehst Du im Folgenden eine Grafik. Diese ist an den jeweiligen wichtigen Prozessschritten durch Zahlen gekennzeichnet, wobei die einzelnen Schritte unterhalb der Grafik erläutert werden.

1. Katalysator: In einem Vorprozess wird aus Methan, Wasser und Luft bei hohen Temperaturen das Synthesegemisch erzeugt.
2. Wäscher: Im Gasreiniger wird das Gemisch von unerwünschten Substanzen wie Kohlenmonoxid und Schwefeldioxid gereinigt.
3. Kompressor: Das Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff wird in einem Kompressor verdichtet und auf den notwendigen Druck komprimiert.
4. Vorwärmer: Mit der Abwärme aus dem Kühlkreislauf wird das Gasgemisch vorgewärmt, bevor es zur Synthese in den Reaktor geleitet wird.
5. Reaktor: Im Reaktor strömt das Gasgemisch an einem Katalysator, der beispielsweise aus Eisen- und Aluminiumoxid besteht, entlang. Dabei reagieren Wasserstoff und Stickstoff bei sehr hohem Druck - zwischen 150 und 300 bar - und bei hohen Temperaturen von bis zu 500 °C miteinander. Die stabile 3-fach-Bindung des Luftstickstoffs wird gelöst. Schrittweise lagern sich Wasserstoffatome an den entstandenen Stickstoffatomen an. Es bilden sich Ammoniak-Moleküle.
6. Abhitzekessel: Das heiße Ammoniakgas wird im Abhitzekessel abgekühlt.
7. Kühler: Nicht alle Eingangsprodukte können während der Synthese im Reaktor umgesetzt werden. Die nicht umgesetzten Bestandteile des ursprünglichen Gasgemischs werden dem Reaktor wieder zugeführt. Das abgeschiedene Ammoniakgas wird in einen Tank geleitet.

Problematik der großtechnischen Ammoniaksynthese

Trotz des enormen Erfolgs des Haber-Bosch-Verfahrens zur Ernährung der Weltbevölkerung, legte die künstliche Fixierung von Stickstoff ebenso den Grundstein für den heute herrschenden Stickstoffüberschuss.

Negative Konsequenzen können etwa die Belastung und Verunreinigung des Grundwassers und infolgedessen der Binnengewässer und Meere sein, sowie eine Nährstoff-Überversorgung der Landökosysteme. Letzteres hat die Entstehung von Treibhausgasen und Luftschadstoffen zur Folge.