Warum reagieren Stickstoff (N2) und Sauerstoff (H2) nicht?
Brint man Stickstoff und Wasserstofff in ein Gefäß und verschließt es, so ist auch nach einigen Tagen kein Ammoniak nachweisbar.
Erkläre diesen Sachverhalt.
Das verstehe ich nicht, ich meine Amoniak entsteht doch laut dieser RGL 3H2 + N2 ---> (Gleichgewichtspfeil) 2 NH3
Warum reagiert das aber in dem Gefäß dann nicht?
2 Antworten
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:)
Die Aktivierungsenergie ist zu hoch. Man muß N2 und H2 (nicht O2) erhitzen und einen Katalysator (Metalloxide) verwenden, dann geht es (zwar auch nicht besonders, aber es geht).