Druck, Temperatur, Katalysator, Kreislauf — alles aus diesem Kapitel steckt in einer einzigen Anlage.
Dein Fortschritt:
0 / 0 Aufgaben
1
Übungsaufgaben
Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.
A1
Was in die Anlage hineingeht
AFB I
Nennen Sie alle Stoffe, die beim Haber-Bosch-Verfahren als Rohstoff oder Katalysator eingesetzt werden.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Stickstoff kommt aus der Luft, Wasserstoff heute überwiegend aus Erdgas und Wasserdampf. Der Katalysator ist Eisen mit Promotoren wie Kalium- und Aluminiumoxid.
Denken Sie an das Synthesegas N₂ : H₂ = 1 : 3.
Der Katalysator ist ein billiges Metall.
A2
Jede Bedingung hat einen Grund
AFB I
Ordnen Sie jeder Verfahrensbedingung ihre Begründung zu.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Druck und Produktentzug sind Le Chatelier, die Temperatur ist ein Kompromiss zwischen Lage und Tempo, der Katalysator kümmert sich nur ums Tempo, der Kreislauf um die Ausnutzung der Rohstoffe.
Unterscheiden Sie Maßnahmen für die Lage von Maßnahmen für die Geschwindigkeit.
Die Siedetemperatur von Ammoniak liegt bei −33 °C.
A3
Wasserstoffbedarf
AFB I
Bestimmen Sie die Masse an Wasserstoff, die für 1,00 t Ammoniak mindestens benötigt wird (\(M(\ce{NH3}) = 17{,}03\), \(M(\ce{H2}) = 2{,}016\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)).
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
kg
\(n(\ce{NH3}) = 1{,}00\cdot10^6\,\mathrm{g}/17{,}03\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 5{,}87\cdot10^4\,\mathrm{mol}\). Nach \(\ce{N2 + 3 H2 -> 2 NH3}\) braucht man das 1,5-Fache an \(\ce{H2}\): \(8{,}81\cdot10^4\,\mathrm{mol}\), also \(8{,}81\cdot10^4\cdot2{,}016\,\mathrm{g} \approx 178\,\mathrm{kg}\).
Stoffmengenverhältnis \(\ce{H2 : NH3 = 3 : 2}\).
\(m = n\cdot M\); Ergebnis in kg.
A4
Wie viel Luft?
AFB II
Ermitteln Sie, welches Luftvolumen (25 °C, 1013 hPa; \(V_m = 24{,}5\,\mathrm{L\,mol^{-1}}\); 78 % Stickstoff) den Stickstoff für 1,00 t Ammoniak mindestens enthält.
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt, negative Werte mit Minuszeichen.
\(n(\ce{NH3})\)kmol
\(n(\ce{N2})\)kmol
\(V(\ce{N2})\)\(\mathrm{m^3}\)
\(V(\text{Luft})\)\(\mathrm{m^3}\)
\(n(\ce{NH3}) = 58{,}7\,\mathrm{kmol}\); halb so viel Stickstoff: \(29{,}4\,\mathrm{kmol}\). \(V(\ce{N2}) = 29{,}36\,\mathrm{kmol}\cdot24{,}5\,\mathrm{m^3\,kmol^{-1}} \approx 719\,\mathrm{m^3}\); \(V(\text{Luft}) = 719/0{,}78 \approx 922\,\mathrm{m^3}\) — etwa das Volumen von drei Klassenzimmern.
1 kmol Gas nimmt 24,5 m³ ein.
Stoffmengenverhältnis \(\ce{N2 : NH3 = 1 : 2}\).
A5
Ammoniakanteil und Umsatz
AFB II
Bei 450 °C und einem Synthesegas mit \(\ce{N2 : H2 = 1 : 3}\) wurden im Gleichgewicht die Ammoniak-Anteile \(y\) gemessen (Larson und Dodge, 1923). Für den Umsatz des Stickstoffs gilt dann: Umsatz \(= \dfrac{2y}{1 + y}\). Berechnen Sie jeweils den Umsatz in Prozent.
Füllen Sie alle Felder aus und prüfen Sie dann. Enter in einem Feld prüft ebenfalls. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Druck
\(y(\ce{NH3})\) in %
Umsatz N₂ in %
etwa 100 bar
16,4
etwa 300 bar
35,5
etwa 600 bar
53,6
etwa 1000 bar
69,4
Beispiel 300 bar: \(2\cdot0{,}355/1{,}355 = 0{,}524\). Der Umsatz ist größer als der Ammoniakanteil, weil aus 4 Gasteilchen 2 werden — die Gesamtstoffmenge schrumpft. Jede Verdopplung des Drucks bringt immer weniger zusätzlichen Umsatz.
Rechnen Sie mit \(y\) als Dezimalzahl, z. B. 0,164.
\(2\cdot0{,}164 / 1{,}164 = ?\)
A6
Lage oder Tempo?
AFB II
Ordnen Sie die Maßnahmen nach ihrer Wirkung auf die Ammoniaksynthese ein.
Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1verschiebt das Gleichgewicht zum Ammoniak
2beschleunigt nur die Einstellung
3verschiebt das Gleichgewicht zu N₂ und H₂
Katalysatoren beschleunigen nur. Die Temperaturerhöhung beschleunigt zwar ebenfalls, verschiebt aber das Gleichgewicht der exothermen Synthese zu den Edukten — deshalb gehört sie in den dritten Korb.
Für jede Maßnahme: Ändert sie K oder Q, oder nur die Geschwindigkeit?
Die Synthese ist exotherm, aus 4 Gasteilchen werden 2.
A7
Das Dilemma der Temperatur
MixAFB II
Erklären Sie, warum man bei etwa 450 °C und mit Katalysator arbeitet, indem Sie den Lückentext vervollständigen. Ein Wort bleibt übrig.
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 Dreifachbindung im Stickstoffmolekül ist sehr stabil, deshalb ist die der Ammoniaksynthese hoch. Bei tiefer Temperatur wären kaum wirksam, die Reaktion liefe viel zu . Höhere Temperatur beschleunigt, verschiebt aber das Gleichgewicht zu den Edukten, weil die Synthese ist. Der löst das Dilemma teilweise: Er senkt die Aktivierungsenergie, sodass schon bei etwa 450 °C genug Ammoniak entsteht.
„endotherm“ bleibt übrig. Hier fließen Stoßtheorie (2.1.3), Temperatur und K (2.3.2) und Katalyse (1.3.2, 2.3.3) zusammen.
Welche Stöße sind wirksam (2.1.3)?
\(\Delta_r H = -92\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
A8
Trickaufgabe: Doppelte Katalysatormenge
TrickAFB III
Bei 450 °C und 300 bar enthält das Gas im Gleichgewicht 35,5 % Ammoniak. Ein Betreiber füllt die doppelte Menge Katalysator in den Reaktor. Schätzen Sie den Ammoniakanteil im Gleichgewicht ab.
Schieben Sie den Regler auf Ihre Antwort — Pfeiltasten bewegen ihn schrittweise. Nach dem Prüfen sehen Sie den Trefferbereich.
0 %100 %
Weiterhin 35,5 %. Mehr Katalysator beschleunigt Hin- und Rückreaktion gleichermaßen; das Gleichgewicht wird schneller erreicht, liegt aber an derselben Stelle. In der realen Anlage kann mehr Katalysator trotzdem sinnvoll sein: Der Anteil nach einem Durchgang (etwa 15 %) rückt näher an den Gleichgewichtswert heran.
Was ändert ein Katalysator am Gleichgewicht?
Temperatur und Druck bleiben gleich.
A9
Stellschrauben bewerten
AFB III
Beurteilen Sie, wie sich die Änderungen auf den Ammoniakanteil im Gleichgewicht auswirken (Ausgangspunkt: 450 °C, 300 bar, 35,5 %).
Wählen Sie für jede Zeile eine Stufe: 1 = deutlich kleiner, 2 = etwas kleiner, 3 = unverändert, 4 = etwas größer, 5 = deutlich größer. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = deutlich kleiner5 = deutlich größer
Temperatur auf 400 °C senken
Druck auf 100 bar senken
Katalysator mit mehr Promotoren
Reaktorvolumen verdoppeln, Druck und Temperatur gleich
Druck auf 600 bar erhöhen
Nach Larson und Dodge: 400 °C/300 bar etwa 48 %, 450 °C/100 bar 16 %, 450 °C/600 bar 54 %. Katalysator und Reaktorgröße ändern die Lage nicht — ein größerer Reaktor erhöht nur die Menge, die pro Zeit das Gleichgewicht erreicht.
Nur Temperatur und Druck (bzw. Konzentrationen) verschieben die Lage.
Vergleichen Sie mit den Werten aus A5.
A10
Ein Zeitungsartikel mit Fehlern
AFB III
Ein Zeitungsartikel beschreibt das Haber-Bosch-Verfahren. Überprüfen Sie die Aussagen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Die drei Fehler betreffen die drei Kernideen: Kompromisstemperatur, Rolle des Katalysators und Kreislaufführung.
Prüfen Sie jede Aussage auf Lage, Tempo und Kreislauf.
