Ammoniak Gliederung Darstellung Eigenschaften AmmoniumSalze Nachweise Verwendung Schulrelevanz

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)

Darstellung Versuch 1 Das Haber-Bosch Verfahren

Darstellung Das Haber-Bosch-Verfahren Darstellung aus den Elementen 0 0 -3 N 2 (g) + 3 H 2 (g) +1 2 NH 3 (g) ΔH = - 92, 5 k. J Nobelpreis Produktion: 120 mio. t/Jahr Fritz Haber (1868 -1934) Carl Bosch (1874 -1940)

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

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

Darstellung Katalysator • Heterogenes System aus Kat. und Gasmolekülen • Adsorption und Dissoziation • Anlagerung • Desorption H 2 N 2 Fe-Insel

Darstellung Reaktionsbedingungen • Druck: 150 – 450 bar • Temperatur: 450 - 500°C • Mengenverhältnis Stickstoff/Wasserstoff: 1 : 3 • Katalysator: Eisen(II/III)-Oxid Fe 3 O 4 • Promotoren: K 2 O, Ca. O, Al 2 O 3 und Si. O 2

Darstellung Promotoren Al 2 O 3: struktureller Promotor K 2 O: elektronischer Promotor Ca. O: Stabilisierung der Makrostruktur Stabilisierung der Struktur und Verbesserung der Aktivität des Katalysators

Darstellung Ausbeute: ca. 18 %

Darstellung Im Labor • Katalysator: Fe 2 O 3, • Promotoren: Al 2 O 3, Ca. O, KNO 3 0 0 -3 N 2 (g) + 3 H 2 (g) +1 2 NH 3 (g) • Nachweis: NH 3 (g) + H 2 O NH 4+ (aq) + OH- (aq) • basisch: Lackmuspapier blau

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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 NH 3 (l) NH 4+ (solv) + NH 2 - (solv) • gutes LM für viele Salze • LM für Alkalimetalle Na (s) + NH 3 (l) Na+ (solv) + e- (solv) • sehr gute Löslichkeit in Wasser

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

Eigenschaften • Dipol – Dipol - WW • H-Brücken • Hydratisierung • 1 L Wasser löst 700 L Ammoniak + H 2 O • Unterdruck: NH 3 (g) δ + δ - δ + NH 3 (aq) δ -

Eigenschaften Reaktion mit Phenolphthalein • farblos bei p. H 0 – 8, 2 • rot im Basischen ab p. H 8, 2 • basische Reaktion von Ammoniak in Wasser: NH 3 (g) + H 2 O NH 4+ (aq) + OH- (aq)

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

Eigenschaften Versuch 3 Nachweis von Ammoniak in Harnstoff

Eigenschaften Zersetzung von Harnstoff Carbamidsäure Δ (s) + H 2 O • Nachweis: Indikatorpapier + (g) (aq) (g) + (g)

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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Salze Ammonium-Salze • • • NH 4 Cl (NH 4)2 SO 4 NH 4 NO 3 (NH 4)2 CO 3 NH 4 HCO 3 Lötsalz Kunstdünger Sprengstoff Textilindustrie Hirschhornsalz

Salze Versuch 4 Darstellung von Ammoniumchlorid Lewis-Säure-Base-Reaktion: NH 4 Cl (aq) + Na. OH (s) NH 3 (g) + Na. Cl (aq) + H 2 O NH 3 (g) + HCl (g) NH 4 Cl (s) „Nebel“

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Nachweise von Ammoniak • • • HCl Phenolphthalein Indikatorpapier Nesslers-Reagenz Cu. SO 4

Nachweise Nachweis mit Nesslers-Reagenz Bildung des Nesslers-Reagenz 4 KI (aq) + Hg. Cl 2 (aq) K 2[Hg. I 4] (aq) + 2 KCl (aq) Bildung des Iodids der Millonschen Base: 2 [Hg. I 4]2 - (aq) + NH 4+ (aq) + 4 OH- (aq) [Hg 2 N]I (aq) + 4 H 2 O + 7 I- (aq)

Nachweise [Hg 2 N] + + + Raumnetzstruktur: A nti-Cristobalit

Nachweise Versuch 5 Nachweis von Ammoniak mit Kupfersulfat Cu 2+ (aq) + 6 H 2 O [Cu(H 2 O)6]2+ (aq) Ligandenaustausch: [Cu(H 2 O)6]2+ (aq) + 4 NH 3 (aq) [Cu(NH 3)4(H 2 O)2]2+ (aq) + 4 H 2 O

Nachweise Ligandenfeld Cu 2+: oktaedrisches Ligandenfeld: KZ 6 d 9 Konfiguration: Jahn-Teller verzerrtes Oktaeder dx - y 2 2 dz 2 dxy dxz dyz

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

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

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Verwendung NH 3 - Produktion 20% • Herstellung von Chemikalien • Industrie 80% • Düngemittel • Salpetersäure • Salze

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

Verwendung Herstellung von Salpetersäure • Herstellung von Stickoxid nach dem Ostwald-Verfahren durch katalytische Ammoniakverbrennung -3 0 4 NH 3 (l) + 5 O 2 (g) 0 • Reaktion mit Sauerstoff +2 -2 2 NO (g) Δ +2 -2 4 NO kat. -2 (g) 0 +4 -2 + O 2 (g) 2 NO 2 (g) + 6 H 2 O (g) • Dimerisierung 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) • Zufuhr von Wasser +4 -2 -2 N 2 O 4 (g) + 6 H 2 O +3 -2 HNO 2 +5 -2 (aq) + HNO 3 (aq)

Verwendung • Leichte Zersetzung der salpetrigen Säure +3 -2 +5 -2 3 HNO 2 HNO 3 (aq) +2 -2 (aq) + 2 NO (g) + H 2 O • insgesamt +4 -2 -2 0 2 N 2 O 4 (g) + H 2 O + O 2 (g) +5 -2 4 HNO 3 (aq) Gewinnung der Nitrate • Umsetzung der entsprechenden Carbonate oder Hydroxide mit Salpetersäure

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

Verwendung Demo 1 Auswirkung von Dünger auf das Wachstum von Keimlingen Dünger 1 Dünger 2 enthaltene Ionen: K+ (aq), Fe 3+ (aq), NH 4+ 2+ , Ca (aq) K+ (aq), Fe 3+ (aq), Ca 2+ PO 43 - (aq), SO 42 - (aq), Cl- (aq), NO 3 - (aq) PO 43 - (aq), SO 42 - (aq), Cl- (aq)

Verwendung Stickstoffkreislauf

Verwendung Stickstoff in der Pflanze Nitratreduktase: +5 NO 3 - (aq) + 2 H+ (aq) + 2 e- +3 NO 2 - (aq) + H 2 O Nitritreduktase: +3 NO 2 - (aq) + 8 H+ (aq) + 6 e- -3 NH 4+ (aq) + 2 H 2 O

Verwendung Bindung an Aminosäuren ATP-Verbrauch + + + NH 4+ - - - 2 H+ Glutamat Glutamin

Verwendung Demo 2 Backen mit Hirschhornsalz

Verwendung Backtriebmittel • keine sauren Bestandteile • Lockerung von Flachgebäcken • würziger Geschmack Thermische Zersetzung von NH 4 HCO 3 60 °C NH 4 HCO 3 (s) NH 3 (g) + H 2 O + CO 2 (g)

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Schulrelevanz – G 9 • 8. 1. : • 8. 2. : • 10. 2. : • 11. 1. : • 13. 2. : Stoffe – Strukturen - Eigenschaften Die chemische Reaktion Säure, Laugen, Salze Herstellung von Ammoniak und wässrigen Ammoniaklösungen Stoffkreisläufe, Düngemittel Redoxreaktionen Katalyse Wahlthema: Komplexchemie Wahlthema: Angewandte Chemie

Ende