Ammoniak ist die technisch wichtigste Stickstoffverbindung. Die Herstellung von anderen Stickstoffverbindungen erfolgt ausschließlich über Ammoniak. Weltweit werden jährlich über 100 Millionen Tonnen produziert, die zum Großteil zu Stickstoffdüngemitteln weiterverarbeitet werden.
Verwendung von Ammoniak
Ammoniak ist ein wichtiges Grundprodukt
der chemischen Industrie, das als Ausgangstoff für viele chemische
Synthesen dient. Etwa 80-85 % werden zur Herstellung verschiedener Düngemittel
genutzt, der Rest wird u. a. zur Produktion verschiedener organischer
Zwischenprodukte sowie von Kunststoffen und Synthesefasern eingesetzt.
Die technische Synthese von Ammoniak
Die technische Synthese von Ammoniak aus den Elementen Stickstoff und
Wasserstoff beruht auf der Gleichgewichtsreaktion:
Durch Einsatz eines Katalysators lässt sich die Einstellung des Gleichgewichts zwar beschleunigen, die technisch geeigneten Katalysatoren sind aber erst oberhalb 400 °C ausreichend wirksam.
Man arbeitet daher in der Technik bei 400 bis 520 °C und Drücken von 25 bis 30 MPa. Unter diesen Bedingungen verschiebt sich das Gleichgewicht wieder auf die Seite der Ausgangsstoffe, sodass man theoretisch einen Anteil von 35-40 % Ammoniak erzielen könnte. Da die Verweilzeit im Reaktor nicht zur vollständigen Gleichgewichtseinstellung ausreicht, beträgt der tatsächlich erreichte Umsatz bei einmaligem Durchgang durch den Reaktor jedoch nur 15 bis 20%.
Man trennt deshalb Ammoniak aus dem Reaktionsgasgemisch ab, indem man es durch Kühlung verflüssigt. Die nicht umgesetzten Ausgangsstoffe werden kontinuierlich wieder dem Reaktor zugeführt. Durch die Anwendung dieses Kreislaufprinzips können die Edukte vollständig umgesetzt werden (Bild 3).
Gewinnung der Ausgangsstoffe
Die Ausgangsstoffe für die Ammoniaksynthese erhält man aus der
katalytischen Umsetzung von Erdgas (Methan) mit Wasserdampf und Luft.
Hierbei entsteht ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff im Verhältnis
3:1, das als Synthesegas eingesetzt
wird. Der Einsatz von Methan ist hierbei günstiger als Kohle oder Erdölfraktionen, da für die Ammoniaksynthese Wasserstoff benötigt wird, der vom Methan schon mitgeliefert wird.
Mechanismus der Ammoniakbildung
Zur Beschleunigung der Reaktion der Edukte zum Ammoniak sind eine Reihe
von Katalysatoren geeignet. In der ursprünglichen Versuchsanlage
von FRITZ HABER wurde Osmium als Katalysator
verwendet. Wichtig für den Erfolg des Verfahrens war jedoch die Entwicklung
eines preiswerteren Katalysators hoher Lebensdauer durch ALWIN
MITTASCH. Unter seiner Leitung
wurden in über 20.000 Versuchen etwa 3.000 verschiedene Katalysatoren
getestet. Als besonders geeignet erwies sich ein Kontakt aus metallischem
Eisen, der durch Reduktion von Magnetit (
)
entsteht und Zusätze von 
zur Aktivierung und Temperaturstabilisierung enthält.
Der Mechanismus der Reaktion unter Beteiligung des Katalysators konnte erst im Jahre 1983 - Jahrzehnte nach Beginn der technischen Herstellung - endgültig aufgeklärt werden. Mit modernen spektroskopischen Methoden, die es gestatten, adsorbierte Teilchen an Katalysatoroberflächen näher zu charakterisieren, wurde von ERTL (der später den Nobelpreis erhielt) gezeigt, dass der entscheidende Schritt die Adsorption des Stickstoffs unter Dissoziation in Atome ist. In dieser Form ist der atomare Stickstoff viel reaktiver als der molekulare (Bild 4).
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| Wasserstoff wird ebenfalls unter Dissoziation adsorbiert. |
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| Der atomare Stickstoff reagiert dann in drei aufeinanderfolgenden Schritten mit adsorbiertem atomaren Wasserstoff zu Ammoniak. |
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| Zum Schluss wird der adsorbierte Ammoniak in die Gasphase abgegeben. Diesen Vorgang nennt man Desorption. |
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