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1 Säure-Base-Reaktionen: E Die Base Ammoniak Bearbeitungszeit: zweimal 45 Minuten Hilfsmittel: Taschenrechner Verrechnungspunkte: Gesamtpunkte: Note: Aufgaben 1 Ammoniak wird heute großtechnisch nach dem so genannten HABER- BOSCH-Verfahren hergestellt. 1.1 Beschreiben Sie in Worten und anhand von Reaktionsgleichungen die großtechnische Herstellung von Ammoniak, indem Sie auch auf die Gewinnung der Edukte dieser Synthese eingehen. 1.2 Ammoniak bildet sich durch Reaktion zwischen Stickstoff und Wasserstoff in exothermer Reaktion. Welche Bedingungen wären denkbar, damit das Gleichgewicht dieser Reaktion möglichst weit auf der Produktseite liegt? 1.3 Wo sind heute die Einsatzgebiete von Ammoniak? 2 In den folgenden Teilfragen sollen bestimmte Eigenschaften der Base Ammoniak untersucht werden. 2.1 Taucht man die Elektrode eines ph-messgerätes bzw. die eines Leitfähigkeitsmessgerätes in demineralisiertes Wasser ein, so zeigen die beiden Messgeräte bestimmte Werte an. Wie ändern sich diese Werte ganz allgemein, wenn man etwas Ammoniak in das Wasser einleitet? Geben Sie bei Ihrer Begründung auch eine entsprechende Reaktionsgleichung an. 2.2 Flüssiges Ammoniak zeigt auch eine geringe Leitfähigkeit. Wie ist diese Leitfähigkeit zu erklären? 6262 Unterrichts-Materialien Chemie Stark Verlag 1

2 E Säure-Base-Reaktionen: 3 Die Säure NH 4 + hat einen pk S -Wert von 9,21, Methan hat einen pk S - Wert von 34, obwohl NH 4 + und CH 4 die gleiche Elektronenstruktur haben. Geben Sie für dafür eine Erklärung. 4 Gegeben ist eine wässrige Lösung von Ammoniak (V = 0,275 L; c = 0,001 mol L 1 ). Welchen ph-wert hat diese Lösung, wenn K B (NH 3 ) = beträgt? 5 Ein äquimolares Gemenge aus einer Lösung von Ammoniak und Ammonium-Ionen ist ein guter Puffer. c(nh 3 ) = 0,1 mol L 1 soll gleich c(nh 4 + ) sein, V(Lösung) = 1 L und K B (NH 3 ) = Was versteht man allgemein unter einem Puffer? 5.2 In welchem ph-bereich puffert der im Vortext genannte Puffer? 5.3 Wie ändert sich der ph der Lösung, wenn man n(hcl) = 0,05 mol zugibt und die Veränderung des Volumens vernachlässsigt? 5.4 Welche Stoffmenge HCl muss zur gegebenen Pufferlösung gegeben werden, damit ein ph = 8 gemessen werden kann? Unterrichts-Materialien Chemie Stark Verlag

3 Säure-Base-Reaktionen: E Vorinformationen: Niveaustufe: Sek. II Methode: Übungs- und Klausuraufgaben Medien: Taschenrechner Fächerübergreifende Aspekte: Technik Inhalt in Stichworten: HABER-BOSCH-Verfahren, Prinzip von LE CHATELIER, ph-wert, Puffer- Gleichung Autor: Richard Nagel Lösungsvorschläge 1.1 Ausgangsstoffe der Ammoniaksynthese sind Stickstoff und Wasserstoff. a) Die Gewinnung von Stickstoff Das Gas Stickstoff wird heute ausschließlich durch Luftverflüssigung hergestellt. b) Die Gewinnung von Wasserstoff Das Gas Wasserstoff wird in Deutschland überwiegend aus Erdgas gewonnen. Dabei wird der Hauptbestandteil des Erdgases, das Methan, mit Wasserdampf bei ca. T = K unter Druck an einem Mischkatalysator (Nickeloxid und Aluminiumoxid) zur Reaktion gebracht. CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 Da das zugleich gebildete CO bei der Ammoniaksynthese als Katalysatorgift wirken würde, muss es aus dem Gasgemenge entfernt werden. In Gegenwart von Kupferoxid und Zinkoxid als Mischkatalysator wird es mit Wasserdampf umgesetzt. CO + H 2 O CO 2 + H 2 Das mit entstandene Kohlenstoffdioxid wird durch Waschen mit einer wässrigen Lösung von Kaliumcarbonat aus dem Gasgemisch entfernt Unterrichts-Materialien Chemie Stark Verlag 3

4 E Säure-Base-Reaktionen: c) Die Synthese von Ammoniak Die eigentliche Synthese läuft nach dem Reaktionsschema N H 2 2 NH 3 bei einer Temperatur um ϑ 450 C und einem Druck zwischen 230 und 330 bar ab. Als Katalysator verwendet man heute Eisenoxide, denen zur Erhöhung der Aktivität, der Lebensdauer und der Temperaturbeständigkeit bestimmte Metalloxide (Aluminiumoxid, Calciumoxid, Silciumoxid), oder Kaliumcarbonat zugesetzt werden. 1.2 Nach dem Prinzip von LE CHATELIER ergeben sich die folgenden Möglichkeiten: a) Hoher Druck Die Produktseite nimmt gegenüber der Eduktseite das kleinere Volumen ein. Das bedeutet, dass eine Zunahme des Druckes eine Erhöhung der Ammoniakausbeute ergibt. Aus wirtschaftlichen Gründen (zu teuere Apparaturen, hoher Energieeinsatz zur Verdichtung der Gase) fährt man in Deutschland die Synthese nur bis zu einem Druck von p = 330 bar. b) Temperatur Je höher die Temperatur, desto mehr verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der Edukte. Da die Aktivierungsenthalpie der Ammoniaksynthese außerordentlich hoch ist ( H A = 230 kj), muss diese mithilfe von Katalysatoren erniedrigt werden. Mit den derzeit verwendeten Katalysatoren kommt man mit allerdings einer immer noch relativ hohen Temperatur von ϑ = 450 C aus. c) Veränderung der Konzentration Nach dem Prinzip von LE CHATELIER kann man bei der Ammoniaksynthese die Konzentration eines der beiden Edukte erhöhen, oder die des Produkts verringern. Die zuletzt genannte Möglichkeit wird in der Praxis durchgeführt Unterrichts-Materialien Chemie Stark Verlag

5 Säure-Base-Reaktionen: E Die Synthese von Ammoniak läuft praktisch in einem Kreisprozess ab. Bei diesem wird das gebildete Ammoniak laufend durch Verflüssigung aus dem Gasgemisch entfernt. Die noch nicht umgesetzten Gase werden dem Synthesereaktor wieder zugeführt. 1.3 Wichtige Einsatzgebiete von Ammoniak sind die Herstellung von Düngemitteln oder die Synthesen von Salpetersäure, Harnstoff, Hydrazin, Aminen, u. a. 2.1 ph-messung Das Messgerät wird einen größeren Wert anzeigen: Die Lösung reagiert alkalisch. Das Auftreten von Hydroxid-Ionen beschreibt die folgende Gleichung: NH 3 + H 2 O NH OH Leitfähigkeitsmessung Die Leitfähigkeit nimmt aufgrund der Bildung von Ionen zu (s. obige Gleichung). 2.2 Flüssiges Ammoniak unterliegt ebenso wie Wasser einer Autoprotolyse. Diese wird durch die folgende Reaktionsgleichung beschrieben: 2 NH 3 NH NH 2 Da bei dieser Autoprotolyse Ionen auftreten, ist eine Leitfähigkeit bei flüssigem Ammoniak zu beobachten. 3 Überträgt eine Substanz H R ein Proton auf das Lösungsmittel, so wird die Bindung H R derart aufgebrochen, dass das bindende Elektronenpaar am Rest R verbleibt. Eine solche Reaktion verläuft dann besonders glatt, wenn die Bindung H R bereits polarisiert ist. Die beiden in der Aufgabe gegebenen Stoffe sind isoelektronisch, sie haben die gleiche Elektronenstruktur. In beiden Fällen liegt auch ein Zentralatom mit einem Elektronenoktett vor, an das vier Wasserstoffatome gebunden sind. Der wesentliche Unterschied besteht aber in der Elektronegativität des Zentralatoms. Das Stickstoffatom besitzt eine höhere Elektronegativität als das Kohlenstoffatom. Daher sind die bindenden 6262 Unterrichts-Materialien Chemie Stark Verlag 5

6 E Säure-Base-Reaktionen: Elektronenpaare im Ammoniumion näher am Stickstoffatom als die im Methanmolekül am C-Atom. Die N H-Bindung ist somit stärker polarisiert als die C H-Bindung. 4 K B (NH 3 ) = und damit pk B (NH 3 ) 4,7. Der ph-wert lässt sich wie folgt berechnen: pkb lg c(nh 3) 4,7 lg0,001 poh = = = 3, ph = 14 poh = 14 3,85 10,2 Das gegebene Volumen ist bei dieser Berechnung gleichgültig. 5.1 Puffer sind meist äquimolare Gemenge aus einer schwachen Säure und ihrer korrespondierenden Base. Solche Puffer bewirken, dass wässrige Lösungen bei der Zugabe von geringen Portionen einer starken Säure oder einer starken Base ihren ph-wert nahezu konstant halten. 5.2 Durch die Zugabe von HCl und die anschließende Reaktion der Oxoniumionen mit der Pufferbase, erhöht sich die Konzentration der Puffersäure und die der Pufferbase sinkt im gleichen Maße. K B (NH 3 ) = und damit pk B (NH 3 ) 4,7 pk S (NH 4 + ) = 14 4,7 = 9,3 Der Pufferbereich liegt demnach zwischen einem ph-wert von ungefähr 8 bis Mit der Puffergleichung und dem unter 5.2 errechneten pk S -Wert erhält man: c(nh ) 0,1 0,05 ph = pk S + lg = 9,3+ lg 8,8 c(nh ) 0,1+ 0, c(nh 3 ) 5.4 ph = pks + lg c(nh + ) 0,1 x 8= 9,2+ lg x= 0,06 0,1+ x 4 Man muss n(hcl) = 0,06 mol zugeben Unterrichts-Materialien Chemie Stark Verlag

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