Warum reagieren Stickstoff (N2) und Sauerstoff (H2) nicht?

2 Antworten

Vom Fragesteller als hilfreich ausgezeichnet

Moin,

Stickstoff ist ausgesprochen reaktionsträge. Das liegt daran, dass man eine hohe Aktivierungsenergie aufbringen muss, um Stickstoffmoleküle zu spalten und damit reaktionsfähig zu machen.

Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie herab. Aber selbst dann braucht man noch immer recht hohe Temperaturen. 

Die Synthese von Ammoniak ist ein interessantes Problem, weil man daran prima LeChateliers Prinzip des kleinsten Zwangs studieren kann. Ich weiß nicht, ob dir das jetzt was sagt, aber das hat mit Gleichgewichtsreaktionen zu tun und wie man beeinflussen kann, ob mehr Produkte oder mehr Edukte im Gleichgewichtszustand vorliegen (Lage des Gleichgewichts). Wenn du das nicht brauchst, kannst du jetzt aufhören zu lesen...

Bei der Ammoniaksynthese handelt es sich um eine Gleichgewichtsreaktion. Außerdem verläuft die Hinreaktion (also die Bildung von Ammoniak) exergonisch (unter Freisetzung von Energie). Wenn also Stickstoff sich erst einmal mit Wasserstoff verbindet, dann wird Energie frei. Außerdem ist die Synthese von Ammoniak eine Reaktion, die in der Gasphase stattfindet, weil sowohl Stickstoff als auch Wasserstoff schon bei Raumtemperatur gasförmig sind, also erst recht, wenn man nun noch die Aktivierungsenergie hinzufügt. Wie du aus der von dir eingestellten Reaktionsgleichung entnehmen kannst, verläuft die Reaktion unter Volumenabnahme (aus 3 Wasserstoffteilchen und 1 Stickstoffteilchen - also 4 Teilchen - machst du 2 Ammoniakteilchen).

Darum erhältst du - unter Berücksichtigung des Prinzips von LeChatelier - theoretisch eine hohe Ammoniakausbeute, wenn du

• bei niedrigen Temperaturen arbeitest (weil sich die Lage des Gleichgewichts dann zu der Seite verschiebt, die exergonisch abläuft);
• unter hohem Druck arbeitest (weil das die Lage des Gleichgewichts auf die Seite verschiebt, die weniger Platz beansprucht);
• ständig die Konzentrationen von Stickstoff und / oder Wasserstoff erhöhst (weil dann die Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass diese Teilchen zusammenstoßen und miteinander reagieren);
• öfter das gebildete Ammoniak aus dem Reaktionsraum entfernst (um die Rückreaktion zu verhindern).

In der Praxis stößt dieser theoretische Ansatz auf gewisse Probleme. So benötigt Stickstoff wie gesagt eine hohe Aktivierungsenergie, aber für die Synthese von Ammoniak wären niedrige Temperaturen gut. Darum setzt man Katalysatoren ein.
Außerdem ist die Erzeugung von Druck relativ kostspielig, so dass man auf die Wirtschaftlichkeit achten muss (in Ländern, in denen man Druck billiger erzeugen kann, zum Beispiel weil es dort viele Wasserfälle gibt, sind die Ausbeuten in der Regel höher...). Und schließlich ist es zwar relativ leicht möglich, die Konzentrationen der Ausgangsstoffe ständig zu erhöhen (zumindest die des Wasserstoffs), aber das Entfernen des Produkts ist schon aufwendiger. Trotzdem ein tolles Thema. Wenn du mehr dazu wissen willst, schau mal unter dem Stichwort "Haber-Bosch-Verfahren" im Internet nach. Sollte ich dich jetzt aber mit Aspekten zugetextet haben, die du gar nicht benötigst, dann verzeih. Ich werde immer so mitgerissen von chemischen Inhalten.

LG von der Waterkant.

Genau diese Antwort habe ich gesucht! Danke!

Und ja wir hatten das mit le chatelier und so, deswegen perfekte Antwort:)

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Ich habe mir folgendes überlegt:

n = m/M

m(N2) = 6,72 g
M(N2) = 28 g/mol
n(N2) = 0,24 mol

m(H2) = 0,64 g
M(H2) = 2 g/mol
n(H2) = 0,32 mol

3x H2 + x N2 --><-- 2x NH3

n(2x NH3) = 0,08 mol/l; das heißt: x = 0,04 mol

Zu Beginn gibt es also 0,32 mol H2, 0,24 mol N2 und 0 mol NH3.
Im GG gibt es 0,32 - 0,12 mol/l H2, 0,24 - 0,04 mol/l N2 und 0,08 mol/l NH3.
Also 0,2 mol/l H2 und 0,2 mol/l N2.

Kc = c(NH3)hoch2 / c(H2)hoch3 mal c(N2)

Aber wenn ich das so mache und die Werte einsetze, bekomme ich

Kc = 0,0064 / 0,008 mal 0,2 = 4

Der Wert ist ja ganz schön, aber wenn Kc = 4 ist, müsste doch die Lage des Gleichgewichtes auf der Seite der Produkte liegen? Oder ist 4 nicht sehr viel größer als 1?

Ich kapiers nicht. Was mache ich falsch? Bitte erklärt es mir.

Danke schonmal im voraus.

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