Lage, Tempo, Kosten — zehn Übungen rund um die wichtigste Gleichgewichtsreaktion der Industrie.
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen von AFB I bis AFB III — jede gibt dir sofort Rückmeldung, bei Schwierigkeiten helfen zwei gestufte Tipps.
A1
Lage oder Tempo?
AFB I
Ordnen Sie die Maßnahmen bei der Ammoniaksynthese danach, was sie begünstigen.
Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1Lage (mehr NH₃ im GG)
2Geschwindigkeit
3beides
Hoher Druck wirkt doppelt: Die Lage verschiebt sich zur Seite mit weniger Gasteilchen, und die höheren Konzentrationen beschleunigen die Reaktion.
Ansatz: Welche Maßnahmen verändern K oder Q, welche nur k?
Weiter: Druck erhöht auch die Konzentrationen.
A2
Stimmt's? — Ammoniak
AFB I
Nennen Sie jeweils, ob die Aussage zutrifft.
Fünf Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Lage, Katalysator und Kreislauf auseinanderhalten.
Ansatz: Exotherm: Wo liegt das Gleichgewicht bei tiefer Temperatur?
Weiter: Woher stammen N₂ und H₂?
A3
Warum nicht 200 °C?
AFB I
Geben Sie alle Gründe an, weshalb der Reaktor bei etwa 450 °C statt bei 200 °C betrieben wird.
Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
K sinkt mit steigender Temperatur (exotherm). N₂ wird nicht thermisch gespalten, sondern an der Katalysatoroberfläche.
Ansatz: Unterscheiden Sie Lage und Geschwindigkeit.
Weiter: Was geschieht mit K einer exothermen Reaktion beim Erwärmen?
A4
Wasserstoffbedarf
AFB II
Berechnen Sie die Masse Wasserstoff, die für 1,0 t Ammoniak mindestens benötigt wird (\(M(\ce{NH3}) = 17{,}03\,\text{g/mol}\), \(M(\ce{H2}) = 2{,}016\,\text{g/mol}\)).
Rechne selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
Sauerstoffhaltige Verbindungen (CO, CO₂, H₂O) sind Gifte für den Eisenkatalysator — deshalb müssen sie vor der Synthese bis auf Spuren entfernt werden.
Ansatz: Katalysatorgifte zuerst entfernen.
Weiter: N₂ kommt mit der Luft in den Sekundärreformer.
A6
Lückentext: Aus dem Labor in die Fabrik
AFB II
Beschreiben Sie die Entwicklung des Verfahrens.
Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.
Die Ammoniaksynthese im Labormaßstab gelang 1909 . übertrug sie bei der BASF in den industriellen Maßstab; die erste Anlage ging 1913 in in Betrieb. Weil Wasserstoff normalen Stahl bei hoher Temperatur und hohem Druck versprödet, mussten neue für die Reaktoren entwickelt werden. Als Katalysator setzte sich nach Tausenden Versuchen durch.
Platin ist teuer und für diese Reaktion ungeeignet; Mittasch fand den billigen, robusten Eisenkatalysator.
Ansatz: Wer war Chemiker, wer Ingenieur?
Weiter: Der Katalysator ist billig und robust.
A7
Kc und Auskondensieren
AFB II
Bei 472 °C liegen im Gleichgewicht \(c(\ce{N2}) = 0{,}50\), \(c(\ce{H2}) = 0{,}80\) und \(c(\ce{NH3}) = 0{,}164\,\text{mol/L}\) vor. Durch Kühlen werden 90 % des Ammoniaks entfernt. Ermitteln Sie schrittweise:
Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
\(K_c\) =L²/mol²
\(Q\) nach dem Auskondensieren =L²/mol²
\(Q / K_c\) =
\(K_c = \dfrac{0{,}164^2}{0{,}50 \cdot 0{,}80^3} = 0{,}105\); danach \(Q = \dfrac{0{,}0164^2}{0{,}50 \cdot 0{,}80^3} = 1{,}05 \cdot 10^{-3}\) — \(Q\) ist nur noch 1 % von \(K\), die Hinreaktion überwiegt im nächsten Durchgang deutlich.
Ansatz: c(NH₃) steht quadratisch im Zähler.
Weiter: Nur c(NH₃) ändert sich: 0,164 → 0,0164 mol/L.
A8
Mix: Stellschrauben der Anlage
AFB III
Die Anlage läuft bei 450 °C und 200 bar. Bestimmen Sie für jede Änderung, was zutrifft (Rückgriff auf 2.3.2 und 2.3.3).
Setze alle zutreffenden Kreuze — in manchen Zeilen passen mehrere. Enter setzt und löscht.
Änderung
K ändert sich
mehr NH₃ im GG
schneller
T auf 400 °C
T auf 500 °C
p auf 300 bar
Ruthenium-Kat.
Nur die Temperatur verändert K. Tiefere Temperatur: bessere Lage, aber langsamer. Ein aktiverer Katalysator (Ru) beschleunigt, ohne die Lage zu verändern.
Ansatz: Exotherm: Was passiert mit K bei 400 °C bzw. 500 °C?
Weiter: Druck ändert Q, nicht K.
A9
Fehlersuche: Zeitungsartikel
AFB III
Überprüfen Sie einen Zeitungsartikel über eine Düngerfabrik und markieren Sie die falschen Zeilen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
Klassische Fehlschlüsse: Temperatur und Katalysator als „Ausbeute-Hebel“ und die Überschätzung des Umsatzes pro Durchgang.
Ansatz: Drei Zeilen sind falsch.
Weiter: Prüfen Sie Temperatur, Katalysator und Umsatz.
A10
Trickaufgabe: Stickstoff im Überschuss
AFB III
Statt \(\ce{N2} : \ce{H2} = 1 : 3\) wird ein Gemisch 1 : 1 eingesetzt (450 °C, 200 bar). Beurteilen Sie, wie sich die Größen im Gleichgewicht verändern.
Wähle für jede Zeile eine Stufe: 1 = sinkt stark (unter die Hälfte), 2 = sinkt, 3 = bleibt gleich, 4 = steigt, 5 = steigt stark (über das Doppelte). Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = sinkt stark (unter die Hälfte)5 = steigt stark (über das Doppelte)
Umsatzgrad des Wasserstoffs
Umsatzgrad des Stickstoffs
Stoffmengenanteil NH₃ im Gleichgewicht
Gleichgewichtskonstante K
Überschuss an N₂ verbraucht mehr H₂ (etwa 47 % statt 41 %), aber der meiste Stickstoff bleibt übrig (Umsatz etwa 16 % statt 41 %), und der NH₃-Anteil sinkt (etwa 18 % statt 26 %): Er ist beim stöchiometrischen Verhältnis 1 : 3 am größten.
Ansatz: Le Chatelier gilt für das Edukt im Überschuss — aber was passiert mit dem Anteil?
Weiter: Viel übrig gebliebenes N₂ „verdünnt“ das Gemisch.
