Das Haber-Verfahren, mancherorts auch als Haber-Borsch-Verfahren bekannt, ist ein wissenschaftliches Verfahren, bei dem aus Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak entsteht. Eisen wirkt als Katalysator, und der Erfolg des Prozesses hängt zum großen Teil von der idealen Temperatur und dem idealen Druck ab; die meiste Zeit wird es in einer geschlossenen Kammer durchgeführt, in der die Bedingungen genau kontrolliert werden können. Das Verfahren ist für eine Reihe verschiedener Industrien sehr wichtig und hat den Herstellern unzählige Stunden gespart, die sonst Ammoniak auf andere, normalerweise viel aufwendigere Weise hätten herstellen müssen. Es ist etwas kompliziert auszuführen, aber wenn es richtig gemacht wird, werden im Allgemeinen sehr zuverlässige Ergebnisse erzielt.
Wie der Prozess entwickelt wurde
Dieses Verfahren wurde 1909 von dem deutschen Chemiker Fritz Haber entwickelt und später von einem anderen Deutschen, Carl Bosch, auf den industriellen Maßstab ausgeweitet. Beide Männer erhielten 1918 den Nobelpreis für die Überwindung der technischen Hürden beim Einsatz der Hochdrucktechnik im industriellen Maßstab. Vor der Entwicklung des Verfahrens war Ammoniak relativ schwer zu extrahieren und daher tendenziell recht teuer. Durch die Suche nach einem Weg, es schneller zu synthetisieren, wurde es sowohl verfügbarer als auch kostengünstiger. Der Prozess ebnete auch den Weg für mehr kontrollierte Umgebungsexperimente und chemische Reduktionen.
So funktioniert er
In den meisten Fällen sind für die Bildung von Ammoniak drei wesentliche Elemente erforderlich: Wasserstoff, Stickstoff und eine Art Katalysator. Obwohl zunächst Osmium und Uran als Katalysatoren verwendet wurden, wurden sie später durch Eisen ersetzt, da es eine viel billigere Alternative ist und in der Regel genauso gut funktioniert. Eine kontrollierte Umgebung ist auch sehr wichtig. Im Allgemeinen wird Ammoniak synthetisiert, indem ein Volumen Stickstoff mit drei Volumen Wasserstoff in Gegenwart von porösem Eisen als Katalysator kombiniert wird. Das Haber-Verfahren führt diese Reaktion bei einer optimalen Temperatur von 1022 °F (550 °C) bzw. einem Druck von 2175 bis 3626 psi (15 bis 25 MPa) durch.
Der Wasserstoff für die Reaktion wird im Allgemeinen durch Umsetzung von Methan oder Erdgas mit Wasserdampf in Gegenwart von Nickeloxid als Katalysator gewonnen. Das Element wird dann zusammen mit Stickstoffgas aus der Atmosphäre über Betten aus Eisenoxid geleitet. Da die Reaktion bei Raumtemperatur sehr langsam ist, wird die Temperatur erhöht, um den Prozess zu beschleunigen. Diese Reaktion ist exotherm, das heißt, sie setzt Wärme frei, so dass eine Temperaturerhöhung nur die Rückreaktion begünstigt und tendenziell zu einer weiteren Reduktion des Produkts führt.
Dies entspricht dem Prinzip von Le Chatlier, das besagt, dass jede Änderung der Konzentration, Temperatur, des Volumens oder des Partialdrucks eines Systems im Gleichgewicht eine Verschiebung des Gleichgewichts bewirkt, um der auferlegten Änderung entgegenzuwirken. Einfacher ausgedrückt, wenn die Reaktionstemperatur erhöht wird, um die Produktion von Ammoniak zu beschleunigen, führt dies zu einer weiteren Aufspaltung des produzierten Ammoniaks in Stickstoff und Wasserstoff. Da der Katalysator nur bei etwa 752 °F (400 °C) effektiv funktionieren kann, muss die Temperatur zwischen 752 °F und 1022 °F (300 °C und 550 °C) gehalten werden.
Bedeutung des Drucks
Das Haber-Verfahren arbeitet in der Regel am effizientesten in Umgebungen mit sehr hohem Druck. Dies erhöht die Bildung von Ammoniak und verbessert die Rückhalteraten des Endprodukts. Selbst unter idealen Bedingungen werden jedoch bei jedem Durchgang nur etwa 15 % Ammoniak gewonnen. Durch wiederholtes Recycling des nicht umgesetzten Gases ist eine Rückgewinnung von fast 98% möglich. Es kann jedoch schwierig werden, dieses unreagierte Produkt für das Recycling bereitzuhalten. Außerhalb einer Umgebung mit hohem Druck ist dies fast unmöglich.
Warum es wichtig ist
Viele Industrien und Fertigungsprojekte haben von der Effizienz und Effektivität dieses Prozesses stark profitiert. Ammoniak ist für viele verschiedene Dinge sehr wichtig – es ist als Reinigungsmittel im Haushalt weit verbreitet, aber auch für die Herstellung von stickstoffhaltigen Düngemitteln und den meisten Munitionsarten unerlässlich. Das Verfahren wird jedes Jahr zur Herstellung von fast 100 Millionen Tonnen Düngemittel verwendet und ist auch für die meisten Militärs und Rüstungsunternehmen weltweit von entscheidender Bedeutung.