FWU Schule und Unterricht. FWU-Klassiker Ammoniaksynthese. Der Griff in die Luft. FWU das Medieninstitut der Länder

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1 FWU Schule und Unterricht DVD min, Farbe FWU-Klassiker Ammoniaksynthese Der Griff in die Luft FWU das Medieninstitut der Länder 00

2 Lernziele nach Lehrplänen und Schulbüchern Erkennen der Bedeutung des Stickstoffs für die landwirtschaftliche Produktion; wissen, dass die meisten Pflanzen nicht fähig sind, den Stickstoff der Luft zu nutzen; Einblick in Bedingungen, unter denen Stickstoff und Wasserstoff miteinander zur Reaktion gebracht werden können, und in die Bedeutung und Wirkungsweise eines Katalysators; Überblick über das großtechnische Verfahren zur Ammoniakgewinnung; Kenntnis einiger Produkte der chemischen Industrie, deren Erzeugung von Ammoniak ausgeht Zum Inhalt Der Film geht von der Landwirtschaft aus, die mit jeder Ernte dem Boden Mineralstoffe, unter ihnen Stickstoffverbindungen, entzieht. Die zunehmende Bodenverarmung konnte durch Düngung mit organischen Abfällen nur gebremst werden. Dem Absinken der Erträge stand um die Jahrhundertwende ein steigender Bedarf an Nahrungsmitteln für die dramatisch anwachsende Bevölkerung gegenüber. Dabei enthält die Luft gewaltige Mengen Stickstoff, der jedoch nur von wenigen Pflanzen genutzt werden kann. Der elementare Stickstoff ist reaktionsträge, da in seinem Molekül wie die Strukturformel zeigt die beiden Atome durch eine feste Dreifachbindung verknüpft sind. Der Stickstoff kann daher nur mit wenigen anderen Stoffen zur Reaktion gebracht werden so mit Wasserstoff. Im Trick (mit Kalottenmodellen) entstehen die Moleküle des Produkts Ammoniak (NH 3 ). Im Laborexperiment wird gezeigt, dass sich aus Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak bildet, wenn diese Gase über einen erwärmten Katalysator geleitet werden. Die Ammoniakbildung wird durch die Braunfärbung eines Nachweismittels (Neßlers Reagens) angezeigt. Die Ausbeute an Ammoniak ist jedoch unter diesen Bedingungen gering. Eine Verbesserung erzielte Fritz Haber, der sich ab 1904 mit der Ammoniaksynthese beschäftigte, indem er das Gasgemisch komprimierte. Eine Nachbildung von Habers Apparatur wird vorgestellt. Die drei Bauteile, in die von rechts das verdichtete Gas eingeführt wurde, sind der Trockner, der mit dem Katalysator (Edelmetall Osmium) gefüllte Reaktor, in dem sich die Reaktion vollzog, und der in einem Kühlbad gefüllte Verflüssiger, an dessen Unterseite das Ammoniak entnommen wurde wurden mit dieser Anlage pro Stunde fast 90 Gramm hergestellt. Habers Anlage zeigte bereits die Merkmale des technischen Verfahrens: Hochdruck, Katalysator und das Fahren im Kreislauf, also die Rückführung des nicht umgesetzten Gasgemisches in den Reaktor. Doch die technische Realisierung dieser Hochdrucksynthese war schwierig: So musste ein technisch verwendbarer, billiger Katalysator gefunden werden. In Tausenden von Versuchen fand Alwin Mittasch einen bis heute fast unverändert verwendeten Katalysator, der hauptsächlich aus metallischem Eisen besteht. Das zweite Problem war ein gegen die extremen Bedingungen beständiges Reaktormaterial. Es wurde durch Carl Bosch gelöst, der eine mehrschichtige Wand entwickelte. Heute werden Spezialstähle verwendet. Die Ausmaße der Reaktoren, die 50 m 3 Katalysatormasse aufnehmen können und deren Tagesleis- 2

3 tung Tonnen Ammoniak erreicht, sind beeindruckend. Der Film verfolgt den Ablauf des Haber- Bosch-Verfahrens. Der Synthese sind zahlreiche Verfahrensschritte vorgeschaltet, in denen die Synthesegase erzeugt und gereinigt werden (und auf die etwa zwei Drittel der gesamten Herstellungskosten fallen). Der Wasserstoff wird heute überwiegend aus Erdgas (Methan CH 4 ) gewonnen, das zunächst von Schwefelverbindungen befreit wird, die als Katalysatorgifte wirken. Anschließend wird das Methan im gewaltigen Primärreformer bei 800 C mit Wasserdampf an Nickelkatalysatoren umgesetzt. Produkte dieser im Trick gezeigten Reaktion sind Wasserstoff und Kohlenstoffoxide; daneben bleiben Reste von Methan. Im Sekundärreformer wird dem Gasgemisch Luft zugeführt. Bei C reagiert wieder im Trickbild veranschaulicht das verbliebene Methan mit Sauerstoff, wobei erneut Wasserstoff und Kohlenstoffmonooxid entstehen. Letzteres wird (katalytisch mit Wasserdampf) zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt und dieses ausgewaschen. Um die optimale Zusammensetzung des Synthesegases (drei Volumenteile Wasserstoff pro Volumenteil Stickstoff) zu sichern, muss die Gasaufbereitung sorgsam geregelt werden wie der Blick in die Prozessleitwarte ahnen lässt. Das Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch wird anschließend im Reaktor umgesetzt: Der Trick zeigt, wie an der Oberfläche des Katalysators die Moleküle gebunden und in Atome zerlegt werden. Nacheinander werden drei Wasserstoffatome an das Stickstoff- atom gebunden. Die entstandenen Ammoniakmoleküle lösen sich vom Katalysator. Da die Bildung von Ammoniak exotherm ist, steigt die Temperatur. Die freigesetzte Energie wird genutzt, um das nachströmende Synthesegas auf etwa 500 C zu erwärmen. Das Gasgemisch wird anschließend in einen zweiten Reaktor geleitet, wodurch der Ammoniakgehalt auf bis zu 16 Vol-% ansteigt. Das abströmende heiße Gas wird in einem Wärmeaustauscher zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf eingesetzt. Dieser treibt eine Turbine und Kompressoren an und mindert so den energetischen Aufwand für die vierstufige Verdichtung (meist auf 10 bis 30 MPa). Wie bereits in Habers Apparatur wird das Gasgemisch anschließend so stark gekühlt, dass sich das Ammoniak verflüssigt. Durch ein weitläufiges Rohrsystem wird es in Kugeltanks geleitet und dort gespeichert. Ammoniak ist eines der wichtigsten Zwischenprodukte der chemischen Industrie, u.a. für die Erzeugung von Kunstfasern und Lacken. Mit Ammoniak werden giftige Stickoxide in Abgasen beseitigt. 80% der erzeugten Menge (allein in Deutschland 2 Millionen Tonnen pro Jahr) dienen aber der Gewinnung von Stickstoffdüngern. Die Ammoniaksynthese (für die Fritz Haber 1918 und Carl Bosch 1931 den Nobelpreis für Chemie erhielten), dieser Griff in die Luft, hat die landwirtschaftlichen Erträge weltweit gesteigert und die Ernährung der wachsenden Bevölkerung ermöglicht. Überdüngung (vor allem in Intensivkulturen) hat aber auch zu ökologischen Problemen, so zur Auswaschung von Nitraten aus den Böden ins Grundwasser geführt. 3

4 Zur Verwendung Der Chemieunterricht wird Verfahren der chemischen Großtechnik vorstellen. Unter ihnen hat das Haber-Bosch-Verfahren einen festen Platz. Es ist nicht nur von großer wirtschaftlicher Bedeutung, sondern erlaubt in ausgezeichneter Weise, den Einfluss von Außenbedingungen auf die Ausbeute einer Reaktion zu verfolgen. Zwar sind für das Haber-Bosch-Verfahren Modellversuche bekannt und üblich, doch lassen diese nicht die enormen großtechnischen Probleme erkennen. Sie reduzieren die Ammoniaksynthese auf eine katalysierte Reaktion. Unbeachtet bleibt die langwierige Aufbereitung der Rohstoffe, ungezeigt das Hochdruckverfahren und die Rückführung der Synthesegase. Der Film schließt diese Lücke, da er auch das technische Umfeld aufzeigt und zugleich die gewaltigen Dimensionen einer modernen Ammoniakanlage vor Augen führt. Die Schlüsselstellung der Ammoniaksynthese bei der Sicherung der Welternährung, aber auch als erstes Hochdruckverfahren die Pionierrolle in der Entwicklung der technischen Chemie rechtfertigen voll ihre Behandlung und den Einsatz dieses Films bereits im Chemieunterricht der Sekundarstufe I. Allerdings verfügen deren Schüler nicht über die Kenntnisse, aus denen Bedingungen und Ablauf dieser Synthese voll verständlich werden. Daher vereinfacht der Film, und so müssen die von ihm vermittelten Informationen in der gymnasialen Oberstufe ergänzt werden: So wird zwar die Unvollständigkeit der Reaktion mit dem Hinweis auf die unterschiedliche Ausbeute angesprochen, doch bleiben die Einstellung des Gleichgewichts und dessen Verschiebung nach dem Prinzip von Le Chatelier ungenannt. Daher bleibt ungeklärt, warum die Reaktion nicht durch Erhitzen, sondern bei relativ geringen Temperaturen mit Hilfe eines Katalysators beschleunigt wird. Ebenso lässt sich nicht begründen, warum das Synthesegas zwischen den Katalysatorschichten gekühlt und warum der aufwändige und kostspielige Hochdruck die Ausbeute so stark verbessert. Auch auf die Vorgänge auf der Oberfläche des Katalysators wird nur sehr vereinfacht im Trick eingegangen. In der Sekundarstufe I wird die wirtschaftliche Bedeutung des Haber-Bosch-Verfahrens im Vordergrund stehen. Ausgehend von der Frage nach der Pflanzenernährung, können die Schüler mit der Mineralstofflehre Liebigs vertraut gemacht werden, nach der Kunstdünger nicht zweitrangiger Ersatz für Naturdünger ist. Auch die Diskussion über die Nitratbelastung in Nahrung und Trinkwasser kann als Einstieg dienen. Dabei sollte aber nicht verschwiegen werden, dass Belastungen des Grundwassers vielfach auf die Gülleentsorgung von Massentierhaltungen zurückgehen. Die Notwendigkeit ausreichender Düngung unserer Wirtschaftspflanzen, insbesondere mit den Bioelementen N, P und K, lässt nach deren Herkunft fragen: importierte Rohphosphate, Kalisalze aus der Tiefe mitteldeutscher Bergwerke und elementarer Stickstoff aus der Luft. Wie dieser Griff in die Luft möglich wurde, kann dann mit Hilfe des Films erarbeitet werden. Im Chemieunterricht der Oberstufe wird sich sicherlich die Behandlung der Ammoniakoxidation (Ostwalds-Verfahren) an- 4

5 schließen, die zur Salpetersäure und damit zu Nitraten und organischen Nitroverbindungen führt. Das zeitliche Zusammentreffen des Haber-Bosch-Verfahrens mit dem Beginn des Ersten Weltkriegs kann zu einer kurzen, fachübergreifenden Betrachtung führen. Dabei wird auch der starke Widerstand gegen die Verleihung des Nobelpreises von 1918 an Fritz Haber erwähnt werden, der auf dessen Beitrag bei der Entwicklung von Kampfgasen und deren Einsatz im Ersten Weltkrieg zurückging. Produktion GBF, Gesellschaft für bildende Filme mbh, Film- und Fernsehproduktion, Grünwald, im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, Grünwald, 1993 Gestaltung Dr. Günter Nöll Kamera Karl Oelsner Animation CA Scanline Production, Geiselgasteig Schnitt Pia Fritsche Bildnachweis GBF Begleitkarte und Fachberatung Dr. Herbert Kiechle Pädagogischer Referent im FWU Dr. Robert Anzeneder Verleih durch Landes-, Kreis- und Stadtbildstellen/ Medienzentren Verkauf durch FWU Institut für Film und Bild, Grünwald Nur Bildstellen/Medienzentren öv zulässig ' 2008 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (0 89) Telefax (0 89) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 5

6 FWU Schule und Unterricht DVD mit Kapitelanwahlpunkten 14 min, Farbe FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (0 89) Telefax (0 89) info@fwu.de Internet zentrale Sammelnummern für unseren Vertrieb: Telefon (0 89) Telefax (0 89) vertrieb@fwu.de FWU-Klassiker Ammoniaksynthese Der Griff in die Luft Anlass für die Entwicklung des Verfahrens zur Herstellung von Ammoniak durch Haber und Bosch war der steigende Bedarf an Düngemitteln Anfang des 20. Jahrhunderts. Das moderne Verfahren ist ein Beispiel für einen Kreisprozess, der unter dem Zwang des Energiesparens und von Umweltauflagen ständig verfeinert wurde. Tricksequenzen veranschaulichen die chemischen Abläufe der katalytisch ablaufenden Reaktionen. Bei diesem Film handelt es sich um eine FWU-Produktion aus dem Jahr Schlagwörter Ammoniak, Stickstoff, Haber-Bosch-Verfahren Laufzeit: 14 min Kapitelanwahl auf DVD-Video Sprache: Deutsch Systemvoraussetzungen bei Nutzung am PC DVD-Laufwerk und DVD-Player-Software, empfohlen ab Windows 98 Chemie Geschichte der Chemie Angewandte Chemie Technische Chemie Allgemeinbildende Schule (8 13) GEMA Alle Urheber- und Leistungsschutzrechte vorbehalten. Nicht erlaubte/genehmigte Nutzungen werden zivilund/oder strafrechtlich verfolgt. LEHR- Programm gemäß 14 JuSchG