Ammoniak

Gliederung

• Darstellung• Eigenschaften• Ammonium-Salze• Nachweise• Verwendung• Schulrelevanz

Gliederung

• Darstellung• Eigenschaften• Ammonium-Salze• Nachweise• Verwendung• Schulrelevanz

Darstellung von Ammoniak

• Rothe-Frank-Caro (Gewinnung aus Kalkstickstoff)

• Serpek-Verfahren (Hydrolyse von Nitriden)• Haber-Bosch-Verfahren (aus den Elementen)

Darstellung

Labor:

• Ammoniumsalze + Natronlauge

Großtechnisch:

Versuch 1

Das Haber-Bosch Verfahren

Darstellung

Darstellung aus den Elementen

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) ΔH = - 92,5

kJ

Das Haber-Bosch-Verfahren

Fritz Haber (1868-1934)

Carl Bosch (1874-1940)

Darstellung

0 -3 +1

0

Nobelpreis

Produktion:120 mio. t/Jahr

Prinzip von Le Chatelier

Hohe Ausbeute:

• je niedriger die Temperatur

• je höher der Druck• Kompromiss zwischen

günstiger Gleichgewichtslage und hoher Reaktionsgeschwindigkeit

Ammoniakanteile im GG

Darstellung

Reaktionsgeschwindigkeit

• je höher die Temperatur, desto schneller GG

• Hohe Aktivierungsenergie durch Dreifachbindung

• entropisch ungünstig• Verwendung eines

geeigneten Katalysators

Darstellung

Katalysator

Fe-Insel

H2 N2• Heterogenes System aus Kat.

und Gasmolekülen

• Adsorption und Dissoziation

• Anlagerung

• Desorption

Darstellung

Reaktionsbedingungen

• Druck: 150 – 450 bar• Temperatur: 450 - 500°C• Mengenverhältnis

Stickstoff/Wasserstoff: 1 : 3

• Katalysator: Eisen(II/III)-Oxid Fe3O4

• Promotoren: K2O, CaO, Al2O3 und SiO2

Darstellung

Promotoren

Al2O3: struktureller Promotor

K2O: elektronischer Promotor

CaO: Stabilisierung der Makrostruktur

Stabilisierung der Struktur und Verbesserung der Aktivität des

Katalysators

Darstellung

Darstellung

Ausbeute: ca. 18 %

Im Labor

• Katalysator: Fe2O3,

• Promotoren: Al2O3, CaO, KNO3

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)

• Nachweis:

NH3 (g) + H2O NH4+

(aq) + OH- (aq)

• basisch: Lackmuspapier blau

Darstellung

0 +1

-30

• Darstellung

• Eigenschaften

• Ammonium-Salze

• Nachweise

• Verwendung

• Schulrelevanz

Gliederung

Eigenschaften von Ammoniak

• pyramidenförmig, Bindungswinkel 107°• farblos, riecht stechend, giftig, ätzend• Smp. –78°C, Sdp. –33°C• Bildung von H-Brücken• Inversion

NH

HH

δ+

δ-

Eigenschaften

Eigenschaften von Ammoniak

• Autoprotolyse analog zu Wasser

2 NH3 (l) NH4+

(solv) + NH2-

(solv)

• gutes LM für viele Salze • LM für Alkalimetalle

Na (s) + NH3 (l) Na+ (solv) + e-

(solv)

• sehr gute Löslichkeit in Wasser

Eigenschaften

Versuch 2

Löslichkeit von Ammoniak in Wasser- Der „Springbrunnen“ -

Eigenschaften

N

H

H

H OHH

N

H

H

Hδ+

δ+

δ+

• Dipol – Dipol - WW

• H-Brücken

• Hydratisierung

• 1L Wasser löst 700 L Ammoniak

• Unterdruck: NH3 (g) NH3 (aq)

δ-

δ-

δ-

Eigenschaften

+ H2O

Reaktion mit Phenolphthalein

• farblos bei pH 0 – 8,2• rot im Basischen ab pH 8,2• basische Reaktion von Ammoniak

in Wasser:NH3 (g) + H2O NH4

+ (aq)

+ OH-

(aq)

Eigenschaften

O

O

OH

OH

O

O

O

O

O

O

O

O

chinoide Form

lactoide Form (farblos) -

-

-

-

+ 2 OH- - H2O

+ 2 H+

2 -

2 -

Eigenschaften

Versuch 3

Nachweis von Ammoniak in Harnstoff

Eigenschaften

Zersetzung von Harnstoff

• Nachweis: Indikatorpapier

Eigenschaften

NH2

NH2

O NH2

OH

O

CO2 NH3

NH3+ H2O +

+

(g) (g)

(g)(s) (aq)

CarbamidsäureΔ

• Absorption von

Ammoniak in Wasser

• Weiterverarbeitung

zu Dünger

• gesunde Tiere

540.000 t Emission

Anwendung in der Landwirtschaft bei Stallluftreinigung

Eigenschaften

• Darstellung

• Eigenschaften

• Ammonium-Salze

• Nachweise

• Verwendung

• Schulrelevanz

Gliederung

Ammonium-Salze

• NH4Cl Lötsalz

• (NH4)2SO4 Kunstdünger

• NH4NO3 Sprengstoff

• (NH4)2CO3 Textilindustrie

• NH4HCO3 Hirschhornsalz

Salze

Versuch 4

Lewis-Säure-Base-Reaktion:

NH4Cl (aq) + NaOH (s) NH3 (g) + NaCl (aq) + H2O

 

NH3 (g) + HCl (g) NH4Cl (s) „Nebel“

Salze

Darstellung von Ammoniumchlorid

• Darstellung

• Eigenschaften

• Ammonium-Salze

• Nachweise

• Verwendung

• Schulrelevanz

Gliederung

Nachweise von Ammoniak

• HCl• Phenolphthalein • Indikatorpapier• Nesslers-Reagenz

• CuSO4

Nachweise

Nachweis mit Nesslers-Reagenz

Bildung des Nesslers-Reagenz

4 KI (aq) + HgCl2 (aq) K2[HgI4] (aq) + 2 KCl (aq)

Bildung des Iodids der Millonschen Base:

2 [HgI4]2-

(aq) + NH4+

(aq) + 4 OH- (aq) [Hg2N]I (aq)

+ 4 H2O + 7 I-

(aq)

Nachweise

Nachweise

[Hg2N]

N

Hg

Hg

Hg

N

N

N

HgN

Raumnetzstruktur:Anti-Cristobalit

+

+ ++

+

+

Versuch 5

Cu2+ (aq) + 6 H2O [Cu(H2O)6]2+

(aq)

Ligandenaustausch:

[Cu(H2O)6]2+

(aq) + 4 NH3 (aq) [Cu(NH3)4(H2O)2]2+

(aq) + 4 H2O

Nachweise

Nachweis von Ammoniak mit Kupfersulfat

2dz

Ligandenfeld

Cu2+: oktaedrisches Ligandenfeld: KZ 6

d9 Konfiguration: Jahn-Teller verzerrtes Oktaeder

dx - y

dxy dyz dxz

dyz dxz

dxy

dz

dx - y 22

2

22

Nachweise

Warum Ligandenaustausch?

• Ammoniak erzeugt stärkere Aufspaltung als Wasser

• Komplexbildungskonstanteeg

t2g

Nachweise

Δ dxy dxz

dxzdxy

dyz

dyz

dz

dz dx - y

dx - y

2 22

2 22

Komplexbildungskonstante

• MWG auf dieser Gleichgewichtsreaktion anwendbar:

• stufenweise Anlagerung der Liganden

KB =

• je größer Konstante, desto beständiger der Komplex.

[MLnm+]

[Mm+(aq)]

[L]n

__________

Nachweise

• Darstellung

• Eigenschaften

• Ammonium-Salze

• Nachweise

• Verwendung

• Schulrelevanz

Gliederung

Verwendung

20%

• Herstellung von

Chemikalien

• Industrie

80%

• Düngemittel

• Salpetersäure

• Salze

NH3 - Produktion

• Hydrazin

• Blausäure

• Polyamide

• Salze

• Sprengstoff

• Rauchgasreinigung

• Metallbearbeitung

• Kunstseide

• Farbstoffe

• Nylon

• Arzneimittel

• Kältetechnik

• Reinigungsmittel

ChemikalienIndustrie

Verwendung

Herstellung von Salpetersäure• Herstellung von Stickoxid nach dem Ostwald-Verfahren

durch katalytische Ammoniakverbrennung

4 NH3 (l) + 5 O2 (g) 4 NO (g) + 6 H2O (g)

• Reaktion mit Sauerstoff

2 NO (g) + O2 (g) 2 NO2 (g)

• Dimerisierung

2 NO2 (g) N2O4 (g)

• Zufuhr von Wasser

N2O4 (g) + 6 H2O HNO2 (aq) + HNO3 (aq)

0-3

0

+2

-2

0

+4

-2+2

-2

-2

-2+4

+5

+3

-2 -2 -2

Verwendung

kat.

Δ

• Leichte Zersetzung der salpetrigen Säure

3 HNO2 (aq) HNO3 (aq) + 2 NO (g) + H2O

• insgesamt

2 N2O4 (g) + H2O + O2 (g) 4 HNO3 (aq)

Gewinnung der Nitrate

• Umsetzung der entsprechenden Carbonate oder

Hydroxide mit Salpetersäure

+2

+5

+3

+5

0-2+4

-2

-2

-2-2

-2

Verwendung

Dünger

Organisch

• Pflanzenreste• Jauche • Gülle

Verwendung

Anorganisch

• Nitrate• Ammoniumsalz

e

Demo 1

Auswirkung von Dünger auf das Wachstum von Keimlingen

Verwendung

Dünger 1

enthaltene Ionen:

K+ (aq), Fe3+

(aq),

NH4+ (aq), Ca2+ (aq)

PO43-

(aq), SO42-

(aq),

Cl- (aq), NO3-

(aq)

Dünger 2

enthaltene Ionen:

K+ (aq), Fe3+

(aq),

Ca2+ (aq)

PO43-

(aq), SO42-

(aq),

Cl- (aq)

Verwendung

Stickstoffkreislauf

NO2-

(aq) + 8 H+ (aq) + 6 e- NH4

+ (aq) + 2 H2O

Stickstoff in der Pflanze

Nitratreduktase:

Nitritreduktase:

NO3-

(aq) + 2 H+ (aq) + 2 e- NO2

- (aq) + H2O

+5

+3

+3

-3

Verwendung

Bindung an Aminosäuren

O

O

O

O

NH3

O

NH2

O

O

NH3

Glutamat Glutamin

- -

-

+ NH4+

- 2 H+

ATP-Verbrauch+ +

Verwendung

Demo 2

Backen mit Hirschhornsalz

Verwendung

Backtriebmittel

• keine sauren Bestandteile• Lockerung von Flachgebäcken• würziger Geschmack

Thermische Zersetzung von NH4HCO3

NH4HCO3 (s) NH3 (g) + H2O + CO2 (g)

60 °C

Verwendung

• Darstellung

• Eigenschaften

• Ammonium-Salze

• Nachweise

• Verwendung

• Schulrelevanz

Gliederung

Schulrelevanz – G9

• 8.1.: Stoffe – Strukturen - Eigenschaften • 8.2.: Die chemische Reaktion • 10.2.: Säure, Laugen, Salze

Herstellung von Ammoniak und wässrigen Ammoniaklösungen

Stoffkreisläufe, Düngemittel• 11.1.: Redoxreaktionen • 13.1.: Katalyse• 13.2.: Wahlthema: Komplexchemie

Wahlthema: Angewandte Chemie

Ende