Ammoniaksynthese ist die Herstellung von Ammoniak aus der Kombination von Wasserstoff- und Stickstoffgasen. Der größte Teil des produzierten Ammoniaks wird als Düngemittel verwendet, kann aber auch für andere Zwecke verwendet werden, beispielsweise zur Herstellung von Sprengstoffen. Das Verfahren wurde Anfang des 1900. Jahrhunderts in Deutschland entwickelt.
Die Atmosphäre ist voll von Stickstoffgas, aber es ist unreaktiv und verbindet sich im Allgemeinen nicht mit anderen Elementen. Die grundlegende Strategie zur Herstellung von Ammoniak, NH3, besteht darin, Wasserstoffgas, H2, mit Stickstoffgas, N2, bei hoher Temperatur und unter hohem Druck zu kombinieren. Chemisch gesehen ist dies eine schwierige Reaktion, daher ist ein Mittel erforderlich, um den Prozess zu beschleunigen.
Ein Katalysator ist eine Verbindung, die eine Reaktion beschleunigt. Bei der Ammoniaksynthese wird im Allgemeinen Eisen als Katalysator verwendet. Die verwendete Eisensorte ist reduziertes Magnetiterz. Es gibt andere Chemikalien, die als Katalysatoren verwendet werden können, aber Eisen ist am häufigsten.
Die Quelle des Wasserstoffgases ist in der Regel Erdgas, auch Methan genannt, CH4. Dies beschreibt den grundlegenden Prozess der Ammoniaksynthese. Viele weitere Schritte finden in einer Ammoniak-Syntheseanlage statt. Dem Erdgas werden zunächst Schwefelverbindungen durch Reaktion mit Zinkoxid entzogen, das in Zinksulfid umgewandelt wird. Dadurch bleibt Methan frei, das mehrere weitere Umwandlungen durchläuft, um Wasserstoffgas zu erzeugen.
Die verwendete Temperatur beträgt etwa 1482°F (400°C). Der verwendete Druck ist geringer als der für die Reaktion optimale Druck. Aus Sicherheitsgründen wird ein Druck von etwa 200 Atmosphären (atm) verwendet. Die Ausbeute beträgt unter diesen Bedingungen etwa 10-20%. Beim Verlassen des Reaktors wird das Gemisch abgekühlt, so dass das Ammoniak flüssig wird. Die Wärme wird aufgefangen und wiederverwendet, um die ankommenden Gase zu erhitzen.
Dieses Verfahren zur Ammoniaksynthese ist als Haber-Verfahren bekannt, weil es vom deutschen Chemiker Fritz Haber entwickelt wurde, der die Bedingungen für die chemische Reaktion entwickelte. Er entwickelte es während einer Knappheit an stickstoffhaltigen Düngemitteln zu Beginn des 1900. Jahrhunderts und weil Deutschland Sprengstoff für den Ersten Weltkrieg benötigte. Derzeit wird Ammoniak in großem Umfang auf der ganzen Welt produziert.
Eine alternative Möglichkeit, den Wasserstoff für die Reaktion herzustellen, ist die Elektrolyse von Wasser. Die Elektrolyse verwendet Strom, um Verbindungen abzubauen. Dabei wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dies geschah in Verbindung mit der Stromerzeugung aus Wasserkraftwerken. Bereits 1911 wurde die Elektrolyse von Wasser genutzt, um Wasserstoff für die Ammoniaksynthese bereitzustellen.
Einige Mikroorganismen sind in der Lage, Stickstoffgas aus der Luft zu verwenden, um Ammoniak zu produzieren. Dieser Vorgang wird als Stickstofffixierung bezeichnet. In diesem Fall handelt es sich bei den Katalysatoren um komplexe Enzyme, sogenannte Nitrogenasen. Die Bakterien, die diesen Prozess durchführen, leben von den Wurzeln von Hülsenfrüchten, wie zum Beispiel Erbsenpflanzen. Die Stickstofffixierung hat den Nährstoffzustand vieler Böden deutlich verbessert.