Ammoniak

Gliederung Darstellung Eigenschaften Ammonium-Salze Nachweise Verwendung Schulrelevanz

Gliederung Darstellung Eigenschaften Ammonium-Salze Nachweise Verwendung Schulrelevanz

Darstellung von Ammoniak Labor: Ammoniumsalze + Natronlauge Großtechnisch: Rothe-Frank-Caro (Gewinnung aus Kalkstickstoff) Serpek-Verfahren (Hydrolyse von Nitriden) Haber-Bosch-Verfahren (aus den Elementen)

Das Haber-Bosch Verfahren Darstellung Versuch 1 Das Haber-Bosch Verfahren

Das Haber-Bosch-Verfahren Darstellung Das Haber-Bosch-Verfahren Darstellung aus den Elementen N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) ΔH = - 92,5 kJ -3 +1 Nobelpreis Produktion:120 mio. t/Jahr Fritz Haber (1868-1934) Carl Bosch (1874-1940)

Prinzip von Le Chatelier Darstellung Prinzip von Le Chatelier Hohe Ausbeute: je niedriger die Temperatur je höher der Druck Kompromiss zwischen günstiger Gleichgewichtslage und hoher Reaktionsgeschwindigkeit Ammoniakanteile im GG

Reaktionsgeschwindigkeit Darstellung Reaktionsgeschwindigkeit je höher die Temperatur, desto schneller GG Hohe Aktivierungsenergie durch Dreifachbindung entropisch ungünstig Verwendung eines geeigneten Katalysators

Katalysator und Gasmolekülen Adsorption und Dissoziation Anlagerung Darstellung Katalysator N2 H2 Heterogenes System aus Kat. und Gasmolekülen Adsorption und Dissoziation Anlagerung Desorption Fe-Insel

Reaktionsbedingungen 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

Promotoren Al2O3: struktureller Promotor K2O: elektronischer Promotor Darstellung Promotoren Al2O3: struktureller Promotor K2O: elektronischer Promotor CaO: Stabilisierung der Makrostruktur Stabilisierung der Struktur und Verbesserung der Aktivität des Katalysators

Darstellung Ausbeute: ca. 18 %

Im Labor Katalysator: Fe2O3, Promotoren: Al2O3, CaO, KNO3 Darstellung 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 -3 +1

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

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

Versuch 2 Löslichkeit von Ammoniak in Wasser - Der „Springbrunnen“ - Eigenschaften Versuch 2 Löslichkeit von Ammoniak in Wasser - Der „Springbrunnen“ -

1L Wasser löst 700 L Ammoniak Unterdruck: NH3 (g) NH3 (aq) Eigenschaften Dipol – Dipol - WW H-Brücken Hydratisierung 1L Wasser löst 700 L Ammoniak Unterdruck: NH3 (g) NH3 (aq) + H2O δ+ δ- δ+ δ- δ+ δ-

Reaktion mit Phenolphthalein Eigenschaften 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)

lactoide Form (farblos) Eigenschaften - 2 - + 2 OH- - H2O - + 2 H+ lactoide Form (farblos) 2 - - - chinoide Form

Nachweis von Ammoniak in Harnstoff Eigenschaften Versuch 3 Nachweis von Ammoniak in Harnstoff

Zersetzung von Harnstoff Eigenschaften Zersetzung von Harnstoff Nachweis: Indikatorpapier Carbamidsäure Δ + H2O + (g) (s) (aq) + (g) (g)

Anwendung in der Landwirtschaft bei Stallluftreinigung Eigenschaften Anwendung in der Landwirtschaft bei Stallluftreinigung 540.000 t Emission Absorption von Ammoniak in Wasser Weiterverarbeitung zu Dünger gesunde Tiere

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Ammonium-Salze NH4Cl Lötsalz (NH4)2SO4 Kunstdünger NH4NO3 Sprengstoff (NH4)2CO3 Textilindustrie NH4HCO3 Hirschhornsalz

Versuch 4 Darstellung von Ammoniumchlorid Lewis-Säure-Base-Reaktion: Salze Versuch 4 Darstellung von Ammoniumchlorid Lewis-Säure-Base-Reaktion: NH4Cl (aq) + NaOH (s) NH3 (g) + NaCl (aq) + H2O   NH3 (g) + HCl (g) NH4Cl (s) „Nebel“

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Nachweise von Ammoniak HCl Phenolphthalein Indikatorpapier Nesslers-Reagenz CuSO4

Nachweis mit Nesslers-Reagenz 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)

Raumnetzstruktur:Anti-Cristobalit Nachweise [Hg2N] + + + + + + Raumnetzstruktur:Anti-Cristobalit

Versuch 5 Nachweis von Ammoniak mit Kupfersulfat Ligandenaustausch: Nachweise Versuch 5 Nachweis von Ammoniak mit Kupfersulfat 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

Ligandenfeld Nachweise Cu2+: oktaedrisches Ligandenfeld: KZ 6 d9 Konfiguration: Jahn-Teller verzerrtes Oktaeder dx - y 2 2 dz dx - y 2 2 2 dz 2 dxy dxy dxz dyz dxz dyz

Warum Ligandenaustausch? Nachweise Warum Ligandenaustausch? Ammoniak erzeugt stärkere Aufspaltung als Wasser Komplexbildungskonstante eg dz dx - y 2 2 2 Δ dxy dxz dyz dz dx - y 2 2 2 dxy dxz dyz t2g

Komplexbildungskonstante Nachweise Komplexbildungskonstante MWG auf dieser Gleichgewichtsreaktion anwendbar: stufenweise Anlagerung der Liganden KB = je größer Konstante, desto beständiger der Komplex. [MLnm+] __________ [Mm+(aq)] [L]n

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NH3 - Produktion 20% Herstellung von Chemikalien Industrie 80% Verwendung NH3 - Produktion 20% Herstellung von Chemikalien Industrie 80% Düngemittel Salpetersäure Salze

Industrie Chemikalien Verwendung Hydrazin Rauchgasreinigung Blausäure Polyamide Salze Sprengstoff Rauchgasreinigung Metallbearbeitung Kunstseide Farbstoffe Nylon Arzneimittel Kältetechnik Reinigungsmittel

Herstellung von Salpetersäure 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) -3 +2 -2 -2 Δ kat. +2 -2 +4 -2 +4 -2 -2 +3 -2 +5 -2

Gewinnung der Nitrate Verwendung 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 +3 -2 +5 -2 +2 -2 +4 -2 -2 +5 -2

Dünger Organisch Pflanzenreste Jauche Gülle Anorganisch Nitrate Verwendung Dünger Organisch Pflanzenreste Jauche Gülle Anorganisch Nitrate Ammoniumsalze

Auswirkung von Dünger auf das Wachstum von Keimlingen Verwendung Demo 1 Auswirkung von Dünger auf das Wachstum von Keimlingen 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

Stickstoff in der Pflanze Verwendung Stickstoff in der Pflanze Nitratreduktase: +5 +3 NO3- (aq) + 2 H+ (aq) + 2 e- NO2- (aq) + H2O Nitritreduktase: +3 -3 NO2- (aq) + 8 H+ (aq) + 6 e- NH4+ (aq) + 2 H2O

Bindung an Aminosäuren Verwendung Bindung an Aminosäuren ATP-Verbrauch + + + NH4+ - - - 2 H+ - Glutamat Glutamin

Backen mit Hirschhornsalz Verwendung Demo 2 Backen mit Hirschhornsalz

Backtriebmittel keine sauren Bestandteile Lockerung von Flachgebäcken Verwendung Backtriebmittel keine sauren Bestandteile Lockerung von Flachgebäcken würziger Geschmack Thermische Zersetzung von NH4HCO3 NH4HCO3 (s) NH3 (g) + H2O + CO2 (g) 60 °C

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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

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