Das Haber-Verfahren oder Haber-Bosch-Verfahren ist die primäre industrielle Methode zur Herstellung von Ammoniak oder Stickstoff fixieren. Der Haber-Prozess reagiert Stickstoff- und Wasserstoff Gas zur Bildung von Ammoniak:
N.2 + 3 H.2 → 2 NH3 (ΔH = –92,4 kJ · mol−1)
Geschichte des Haber-Prozesses
Der deutsche Chemiker Fritz Haber und der britische Chemiker Robert Le Rossignol demonstrierten 1909 den ersten Ammoniaksynthesevorgang. Sie bildeten tropfenweise Ammoniak aus Druckluft. Es gab jedoch keine Technologie, um den in dieser Tischvorrichtung erforderlichen Druck auf die kommerzielle Produktion auszudehnen. Carl Bosch, Ingenieur bei der BASF, löste die technischen Probleme im Zusammenhang mit der industriellen Ammoniakproduktion. Das deutsche Oppau-Werk der BASF nahm 1913 die Ammoniakproduktion auf.
Wie der Haber-Bosch-Prozess funktioniert
Habers ursprünglicher Prozess machte Ammoniak aus der Luft. Das industrielle Haber-Bosch-Verfahren mischt Stickstoffgas und Wasserstoffgas in einem Druckbehälter, der einen speziellen Katalysator enthält, um die Reaktion zu beschleunigen. Aus thermodynamischer Sicht begünstigt die Reaktion zwischen Stickstoff und Wasserstoff das Produkt bei Raumtemperatur und Druck, aber die Reaktion erzeugt nicht viel Ammoniak. Die Reaktion ist
exotherm; Bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Atmosphärendruck wechselt das Gleichgewicht schnell in die andere Richtung.Der Katalysator und der erhöhte Druck sind die wissenschaftliche Magie hinter dem Prozess. Der ursprüngliche Katalysator von Bosch war Osmium, aber die BASF entschied sich schnell für einen kostengünstigeren Katalysator auf Eisenbasis, der bis heute verwendet wird. Einige moderne Verfahren verwenden einen Rutheniumkatalysator, der aktiver als der Eisenkatalysator ist.
Obwohl Bosch ursprünglich Wasser elektrolysierte, um Wasserstoff zu erhalten, verwendet die moderne Version des Verfahrens Erdgas, um Methan zu erhalten, das verarbeitet wird, um Wasserstoffgas zu erhalten. Schätzungen zufolge fließen 3 bis 5 Prozent der weltweiten Erdgasproduktion in den Haber-Prozess.
Die Gase passieren das Katalysatorbett mehrmals, da die Umwandlung in Ammoniak jedes Mal nur etwa 15 Prozent beträgt. Am Ende des Prozesses wird eine Umwandlung von Stickstoff und Wasserstoff in Ammoniak von etwa 97 Prozent erreicht.
Bedeutung des Haber-Prozesses
Einige Leute halten den Haber-Prozess für die wichtigste Erfindung der letzten 200 Jahre! Der Hauptgrund, warum der Haber-Prozess wichtig ist, liegt darin, dass Ammoniak als Pflanzendünger verwendet wird, damit die Landwirte genügend Pflanzen anbauen können, um eine ständig wachsende Weltbevölkerung zu unterstützen. Das Haber-Verfahren liefert jährlich 500 Millionen Tonnen (453 Milliarden Kilogramm) Stickstoffdünger, der schätzungsweise ein Drittel der Menschen auf der Erde mit Nahrungsmitteln versorgt.
Auch mit dem Haber-Prozess gibt es negative Assoziationen. Im Ersten Weltkrieg wurde aus Ammoniak Salpetersäure zur Herstellung von Munition hergestellt. Einige argumentieren, dass die Bevölkerungsexplosion, ob gut oder schlecht, ohne die aufgrund des Düngers erhöhte Nahrungsaufnahme nicht geschehen wäre. Auch die Freisetzung von Stickstoffverbindungen hat sich negativ auf die Umwelt ausgewirkt.
Verweise
Bereicherung der Erde: Fritz Haber, Carl Bosch und die Transformation der Welternährungsproduktion, Vaclav Smil (2001) ISBN 0-262-19449-X.
US Environmental Protection Agency: Menschliche Veränderung des globalen Stickstoffkreislaufs: Ursachen und Folgen von Peter M. Vitousek, Vorsitzender, John Aber, Robert W. Howarth, Gene E. Likens, Pamela A. Matson, David W. Schindler, William H. Schlesinger und G. David Tilman
Fritz Haber Biografie, Nobel e-Museum, abgerufen am 4. Oktober 2013.