Haber-Bosch-Verfahren einfach erklärt – Ablauf

Das Haber-Bosch-Verfahren ist ein großtechnisches Verfahren, mit dem Ammoniak aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff hergestellt wird. Es wurde 1909 von Fritz Haber im Labor entwickelt und von Carl Bosch für die industrielle Produktion nutzbar gemacht, weshalb das Verfahren nach beiden Chemikern benannt ist.

Vor der Entwicklung dieses Verfahrens war Stickstoffdünger knapp, weil sich der reaktionsträge Stickstoff aus der Luft nur schwer in eine pflanzenverfügbare Form überführen ließ. Das Haber-Bosch-Verfahren löste dieses Problem und ermöglichte dadurch eine deutlich höhere landwirtschaftliche Erträge weltweit.

Ein häufiger Fehler ist zu glauben, die Reaktion laufe bei Normalbedingungen ähnlich gut ab wie im Labor gezeigt. Tatsächlich stellt sich das Gleichgewicht zwischen Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak bei Raumtemperatur und Normaldruck kaum ein, deshalb sind für eine wirtschaftliche Ausbeute hoher Druck, erhöhte Temperatur und ein Katalysator notwendig.

Die technischen Bedingungen des Haber-Bosch-Verfahrens sind ein Kompromiss zwischen hoher Ausbeute und ausreichender Reaktionsgeschwindigkeit. Ein sehr hoher Druck von etwa 150 bis 350 bar verschiebt das Gleichgewicht deutlich zugunsten von Ammoniak, ist aber technisch aufwendig und teuer in der Anlagensicherheit.

Bei der Temperatur muss abgewogen werden: Niedrige Temperatur würde zwar mehr Ammoniak im Gleichgewicht liefern, weil die Reaktion exotherm ist, die Reaktion würde aber viel zu langsam ablaufen. Bei etwa 450 Grad Celsius läuft die Reaktion schnell genug ab, ohne dass die Ausbeute zu stark absinkt.

Der eingesetzte Eisen-Katalysator verändert die Lage des Gleichgewichts nicht, er beschleunigt aber beide Reaktionsrichtungen gleichermaßen, sodass sich das Gleichgewicht viel schneller einstellt. Ohne Katalysator müsste entweder eine viel höhere Temperatur oder eine unwirtschaftlich lange Reaktionszeit in Kauf genommen werden.

Ein häufiger Fehler ist die Annahme, ein Katalysator verschiebe das chemische Gleichgewicht zugunsten der Produkte. Tatsächlich beschleunigt ein Katalysator Hin- und Rückreaktion gleichermaßen und verändert dadurch nur, wie schnell sich das Gleichgewicht einstellt, nicht aber die Lage des Gleichgewichts selbst.

Ein zweiter Fehler ist zu glauben, eine möglichst hohe Temperatur würde die Ammoniakausbeute steigern. Da die Reaktion exotherm ist, sinkt die Ammoniak-Ausbeute im Gleichgewicht bei steigender Temperatur, hohe Temperatur erhöht nur die Reaktionsgeschwindigkeit, mit der sich das Gleichgewicht einstellt.

Ein dritter Fehler ist, die Reaktionsgleichung ohne Berücksichtigung der stöchiometrischen Verhältnisse zu berechnen. Stickstoff und Wasserstoff reagieren im Verhältnis 1 zu 3, wer bei Rechnungen zur Ausbeute dieses Verhältnis vernachlässigt, erhält falsche Stoffmengen und Massen.

Der größte Teil des weltweit hergestellten Ammoniaks wird zu Stickstoffdüngern wie Ammoniumnitrat oder Harnstoff weiterverarbeitet, die Pflanzen den lebenswichtigen Nährstoff Stickstoff in aufnehmbarer Form liefern. Ohne diese künstliche Stickstofffixierung könnte die heutige Weltbevölkerung nach Schätzungen nicht in diesem Umfang ernährt werden.

Im Labor wird das Haber-Bosch-Verfahren wegen der hohen Drücke und Temperaturen nicht nachgestellt, stattdessen untersucht man das chemische Gleichgewicht meist an ungefährlicheren Reaktionen. Beim Umgang mit konzentriertem Ammoniak im Labor ist trotzdem Vorsicht geboten, da die Dämpfe stechend riechen und die Atemwege reizen, deshalb sollte immer unter dem Abzug gearbeitet werden.