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Die industrielle anorganische Chemie stellt Grundchemikalien in Millionen Tonnen pro Jahr her. Drei der wichtigsten Produkte sind Schwefelsäure, Ammoniak und Natriumcarbonat.
Schwefelsäure – Das Kontaktverfahren
Schwefelsäure ($H_2SO_4$) ist mit einer Jahresproduktion von über 250 Millionen Tonnen die am meisten hergestellte Chemikalie der Welt. Sie wird im Kontaktverfahren hergestellt.
Verfahrensschritte
1. Gewinnung von Schwefeldioxid:
Schwefel wird verbrannt oder sulfidische Erze geröstet:
$$\ce{S + O2 -> SO2} \quad \Delta H = -297\ \pu{kJ/mol}$$$$\ce{4FeS2 + 11O2 -> 2Fe2O3 + 8SO2}$$2. Oxidation zu Schwefeltrioxid:
Dieser Schritt ist die eigentliche Kontaktreaktion und läuft an einem Vanadium(V)-oxid-Katalysator ($V_2O_5$) ab:
$$\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3} \quad \Delta H = -198\ \pu{kJ/mol}$$Nach dem Prinzip von Le Chatelier begünstigt eine niedrige Temperatur die Ausbeute. In der Praxis arbeitet man bei 400–450 °C, da die Reaktionsgeschwindigkeit bei tieferen Temperaturen zu gering wäre.
3. Absorption:
$SO_3$ wird in konzentrierter Schwefelsäure absorbiert, da die direkte Reaktion mit Wasser einen schädlichen Nebel bildet:
$$\ce{SO3 + H2SO4 -> H2S2O7}$$$$\ce{H2S2O7 + H2O -> 2H2SO4}$$Verwendung
Schwefelsäure wird benötigt für die Düngemittelproduktion, die Erdölraffination, die Metallverarbeitung und als Elektrolyt in Bleiakkumulatoren.
Ammoniak – Das Haber-Bosch-Verfahren
Das Haber-Bosch-Verfahren ist die Grundlage der Stickstoffdünger-Produktion und ernährt schätzungsweise die Hälfte der Weltbevölkerung.
Reaktion und Bedingungen
$$\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3} \quad \Delta H = -92\ \pu{kJ/mol}$$Die exotherme Reaktion wird unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Temperatur | 400–500 °C |
| Druck | 150–300 bar |
| Katalysator | Eisen ($Fe_3O_4$) |
| Ausbeute pro Zyklus | ca. 15–20 % |
Da die Ausbeute pro Durchgang gering ist, wird das nicht umgesetzte Gasgemisch im Kreislauf geführt.
Verwendung
Ammoniak dient als Ausgangsstoff für:
- Düngemittel: Ammoniumnitrat ($NH_4NO_3$), Harnstoff ($(NH_2)_2CO$)
- Salpetersäure ($HNO_3$) durch Ostwald-Verfahren
- Kunststoffe: Polyamide, Acrylnitril
Natriumcarbonat – Das Solvay-Verfahren
Natriumcarbonat ($Na_2CO_3$, Soda) wird für die Glasherstellung, Waschmittel und die Wasserenthärtung benötigt. Das Solvay-Verfahren nutzt Kochsalz und Kalkstein als Rohstoffe:
$$\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NaHCO3 + NH4Cl}$$$$\ce{2NaHCO3 ->[\Delta] Na2CO3 + H2O + CO2}$$Das dabei freigesetzte $CO_2$ und das zurückgewonnene $NH_3$ werden im Kreislauf geführt, was das Verfahren sehr effizient macht.
Chlor-Alkali-Elektrolyse
Die Chlor-Alkali-Elektrolyse ist das wichtigste Verfahren zur Herstellung von Chlor, Natronlauge und Wasserstoff. Dabei wird eine wässrige Natriumchlorid-Lösung elektrolysiert:
$$\ce{2NaCl + 2H2O ->[Elektrolyse] Cl2 + H2 + 2NaOH}$$An der Anode entsteht Chlor ($Cl_2$), an der Kathode Wasserstoff ($H_2$) und Natronlauge ($NaOH$). Moderne Verfahren verwenden Membranzellen, die eine Vermischung der Produkte verhindern.
Nachhaltigkeitsaspekte
Die großtechnische Chemie steht vor der Herausforderung, ihren Energieverbrauch zu senken und nachhaltigere Prozesse zu entwickeln:
- Carbon Capture and Utilization (CCU): $CO_2$ als Rohstoff nutzen
- Grüner Wasserstoff: $H_2$ aus Elektrolyse mit erneuerbaren Energien
- Katalysator-Entwicklung: Effizientere Katalysatoren für niedrigere Temperaturen und Drücke
Übungen
- Berechnen Sie die maximale Ausbeute an $SO_3$ bei 450 °C unter Normaldruck ($K_p = 2,5 \times 10^2$).
- Erklären Sie, warum beim Haber-Bosch-Verfahren hohe Drücke die Ausbeute erhöhen (Prinzip von Le Chatelier).
- Stellen Sie die Reaktionsgleichung für die Herstellung von Ammoniumnitrat aus Ammoniak und Salpetersäure auf.
- Welche Umweltprobleme können bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse auftreten, wenn Quecksilber als Kathodenmaterial verwendet wird?