Haber-Bosch-Verfahren: Ablauf und Bedingungen

Ammoniak, NH₃, besteht aus Stickstoff und Wasserstoff. Die umkehrbare Gesamtreaktion lautet:

\ce{N2(g) + 3 H2(g) <=> 2 NH3(g)}

Der Doppelpfeil zeigt, dass Hin- und Rückreaktion gleichzeitig ablaufen können. Im dynamischen Gleichgewicht entstehen und zerfallen in derselben Zeit gleich viele Ammoniakteilchen; die Reaktionen laufen weiter. Stickstoffmoleküle reagieren träge. Erhöhte Temperatur gibt mehr Teilchen genug Energie; ein Katalysator senkt die nötige Aktivierungsenergie.

Die Ammoniakbildung ist exotherm: Sie gibt Wärme ab. Für die Gleichung mit zwei Mol NH₃ gilt unter Standardbedingungen (25 °C):

\Delta_r H^\circ\approx-92{,}2\,\mathrm{kJ}

Nach dem Prinzip von Le Chatelier begünstigt ein gestörtes Gleichgewicht die Richtung, die die Wirkung der Änderung abschwächt. Bei niedrigerer Temperatur liegt das Gleichgewicht günstiger für NH₃, die Reaktion läuft aber langsamer. Höhere Temperatur beschleunigt sie und begünstigt zugleich die Rückreaktion. Klassische Anlagen nutzen häufig etwa 400 bis 500 °C als Kompromiss.

Links stehen vier gasförmige Teilchenanteile, rechts zwei. Wird das Gasgemisch bei gleicher Temperatur stärker verdichtet, wird die Seite mit weniger Gasteilchen begünstigt: NH₃. Klassische Anlagen arbeiten häufig bei etwa 150 bis 350 bar. Weiterer Druck kostet Verdichtungsenergie und verlangt aufwendigere sichere Technik.

Nach dem Reaktor wird Ammoniak durch Kühlung verflüssigt und abgetrennt. Das senkt seinen Anteil im Gasgemisch und fördert weitere Produktbildung. Unverbrauchtes N₂ und H₂ werden mit Frischgas zurückgeführt. Argon und Methan können sich dabei anreichern; ein begrenzter Teilstrom muss deshalb abgezogen werden.

Ein eisenhaltiger Katalysator bietet einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie. Er beschleunigt Hin- und Rückreaktion, sodass das Gleichgewicht schneller erreicht wird. Seine Lage und seine Konstante ändern sich dadurch nicht; der Katalysator wird insgesamt nicht verbraucht. Nur eine Temperaturänderung ändert bei dieser Reaktion die Gleichgewichtskonstante.

Ammoniak ist vor allem Ausgangsstoff für Stickstoffdünger und weitere Chemikalien. Wasserstoffgewinnung, Verdichtung und Erwärmung brauchen Rohstoffe und Energie. Bei Wasserstoff aus Methan entsteht in der Gasaufbereitung CO₂; übermäßige Düngung kann Ökosysteme belasten.

Wasserstoff aus Elektrolyse kann die fossile Rohstoffbasis verringern, wenn die Elektrizität entsprechend bereitgestellt wird. Strombedarf, sichere Hochdrucktechnik, Geschwindigkeit, Trennung und Gesamtausbeute gehören weiter zur Bewertung. Aussagen über einen weltweiten Energieanteil brauchen Jahr und Systemgrenze.