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Prinzip von Lechatelier und Anwendung auf die Ammoniaksynthese

Das Prinzip von Le Chatelier

Einleitung:
Im Jahre 1884 beschrieb der französische Chemiker Le Chatelier zusammenfassend, wie ein chemisches System auf äußeren Zwang reagiert. Als äußeren Zwang betrachtete er die Änderung von Temperatur, Druck und Konzentration. Das haben wir ebenfalls in den letzten Unterrichtseinheiten untersucht.
Dieses Prinzip ist von fundamentaler Bedeutung für die qualitative Vorhersage der Änderung der Lage des chemischen Gleichgewichts einer Gleichgewichtsreaktion.

Wenn auf ein System, das sich im Gleichgewichtszustand befindet, ein äußerer Zwang wirkt, so weicht das System in der Weise aus, dass es diesen Zwang minimiert.

Die drei Möglichkeiten für den äußeren Zwang werden hier kurz betrachtet:

Temperaturänderung
Bei einer Temperaturerhöhung läuft die Reaktion bevorzugt ab, die endotherm verläuft und bei einer Temperaturabsenkung die Reaktion die exotherm verläuft. Die Lage des chemischen Gleichgewichts ändert sich in der jeweiligen Richtung. Als Ergebnis ändert sich die Temperatur des Systems praktisch kaum oder viel weniger als bei einem vergleichbaren System ohne chemsiches Gleichgewicht.

Druckänderung
Bei einer Druckerhöhung reagiert das System so, dass sich die Lage des chemischen Gleichgewichts zu der Seite verschiebt, in der das System weniger Volumen einnimmt. Bei einer Druckabsenkung entsprechend umgekehrt. Als Ergebnis ändert sich der Druck im System praktisch kaum oder nicht in vollem Umfang.
Bei Gleichgewichtssystemen, an denen keine gasförmigen Stoffe beteiligt sind oder Edukte und Produkte die selben Gasvolumina besitzen, ändert sich die Lage des chemischen Gleichgewichst bei einer Druckänderung nicht.

Konzentrationsänderung
Wird die Konzentration der Produkte verringert, so läuft die Rückreaktion langsamer ab, während die Hinreaktion unverändert schnell bleibt. Dadurch verschiebt sich die Lage des chemischen Gleichgewichts in Richtung der Produkte. Es wird also das entnommene Produkt ersetzt. Umgekehrt wirkt sich eine Konzentrationserhöhung der Produkte aus. Das will man aber normalerweise nicht. Ein Konzentrationserhöhung der Edukte führt auch zu einer Verschiebung der Lage des chemischen Gleichgewichts zu den Produkten. Denn die Hinreaktion läuft dadurch schneller ab. Als Ergebnis wird praktisch immer der Stoff nachgebildet oder umgesetzt, dessen Konzentration verändert wurde.

Prinzipieller Aufbau des Verfahrens

Ammoniaksynthese

1. Schritt:

Herstellung von Wasserstoff aus Methan

{CH}_{4} + H_{2} O \to CO + 3 H_{2}

Δ H = + 206 \frac{KJ}{mol}

2. Schritt:

Bildung von weiterem Wasserstoff durch Methanverbrennung bei geringer Sauerstoffkonzentration

2 {CH}_{4} + O_{2} \to 2 CO + 4 H_{2}

Δ H < 0

3. Schritt:

Oxidation von CO zu CO₂ mithilfe von Wasser an Eisenoxid-Katalysator

CO + H_{2} O \to {CO}_{2} + H_{2}

Δ H = - 42 \frac{KJ}{mol}

4. Schritt:

Unter Hohem Druck wird das Kohlenstoffdioxid in Wasser gelöst und abgetrennt

{CO}_{2} + H_{2} O \to H_{2} {CO}_{3}

5. Schritt:

Im Vorwärmer wird das Synthesegas (H₂ und N₂) erwärmt und reagiert dann im Reaktor am Eisenkatalysator zu Ammoniak NH₃

3 H_{2} + N_{2} \to 2 {NH}_{3}

Δ H = + 46 \frac{KJ}{mol}

6. Schritt:

Abtrennung des Produkts von den Edukten durch Abkühlung bis zur Verflüssigung des Ammoniaks und Wiedereinleitung der verbliebenen Edukte in den Reaktor (Kreislaufprinzip).
Aufgabe:
Vergleichen Sie die von der Theorie vorhergesagten Zustandsbedingungen mit den im Verfahren verwendeten und erklären Sie die Abweichungen!

Erstellt am 13.3.23

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