Aufgabenblock — AFB III
Zehn Aufgaben zum Beurteilen, Planen und Entwickeln: Aussagen prüfen, Experimente entwerfen, Verfahren übertragen. Zu jeder Aufgabe gibt es Strategie, Lösungsskizze und eine Musterlösung.
In einem Werbetext heißt es: „Unser neuer Eisenkatalysator steigert die Ammoniakausbeute der Anlage um 20 %.“ Beurteilen Sie die Aussage aus chemischer Sicht.
Hinweis: Trennen Sie Kinetik und Gleichgewichtslage.
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Musterlösung: Wörtlich genommen ist die Aussage falsch: Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie von Hin- und Rückreaktion um denselben Betrag, \(k_{\text{hin}}\) und \(k_{\text{rück}}\) wachsen um denselben Faktor, \(K = k_{\text{hin}} : k_{\text{rück}}\) bleibt gleich — die Gleichgewichtsausbeute bei gleichem Druck und gleicher Temperatur ändert sich nicht. Sinnvoll wird die Aussage in zwei Lesarten: (1) Da die Anlage das Gleichgewicht pro Durchgang gar nicht erreicht, liefert ein schnellerer Katalysator pro Durchgang und pro Stunde mehr NH₃. (2) Ist der Katalysator schon bei tieferer Temperatur aktiv, kann man die Anlage kälter fahren; weil die Synthese exotherm ist, steigt dann \(K\) und damit die mögliche Ausbeute. Die Werbung meint also Raum-Zeit-Ausbeute oder geänderte Bedingungen, nicht eine Verschiebung des Gleichgewichts.
Ein Mitschüler behauptet, in einer gesättigten Kochsalzlösung mit Bodenkörper „passiere nichts mehr“. Planen Sie ein Experiment, das das Gegenteil zeigt, und sagen Sie das Ergebnis voraus.
Hinweis: Achten Sie darauf, dass Ihr Nachweis die Konzentrationen nicht verändert.
Musterlösung anzeigen (zählt als erledigt)
Musterlösung: Zu einer gesättigten NaCl-Lösung über Bodenkörper wird etwas festes, radioaktiv markiertes \(^{22}\ce{NaCl}\) gegeben; Temperatur konstant halten, umrühren. Nach einiger Zeit wird eine Probe der klaren Lösung abfiltriert und mit einem Zählrohr gemessen. Vorhersage: Die Lösung wird radioaktiv, obwohl sich ihre Konzentration nicht ändert (sie war bereits gesättigt) und die Masse des Bodenkörpers gleich bleibt. Deutung: Lösen und Auskristallisieren laufen ständig gleich schnell ab — markierte Ionen gehen in Lösung, dafür lagern sich ebenso viele unmarkierte an. Kontrollen: gleiche Temperatur, Blindprobe (Lösung ohne markierten Zusatz), Bodenkörper wiegen. Ergänzend: ein zerbrochener Kristall bildet im Laufe von Tagen wieder Kanten, ohne dass sich seine Masse ändert.
Schwefeltrioxid wird nach \(\ce{2 SO2(g) + O2(g) <=> 2 SO3(g)}\) mit \(\Delta_r H^\circ = -198\,\text{kJ/mol}\) hergestellt. Der Vanadiumoxid-Katalysator arbeitet erst ab etwa 420 °C; bei 450 °C liegt der Umsatz im Gleichgewicht schon bei Normaldruck über 97 %. Die Anlagen arbeiten mit Luftüberschuss, bei nur 1–2 bar, in mehreren Kontaktstufen mit Zwischenkühlung und Zwischenabsorption des SO₃. Beurteilen Sie die gewählten Bedingungen und vergleichen Sie mit dem Haber-Bosch-Verfahren.
Hinweis: Vergleichen Sie, wie gut die Lage jeweils ohne Druckerhöhung ist.
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Musterlösung: Temperatur: exotherm → \(K\) sinkt beim Erwärmen; tiefe Temperatur wäre für die Lage besser, aber unter 420 °C ist der Katalysator zu langsam → Kompromiss um 450 °C, wie bei Haber-Bosch. Druck: 3 → 2 Gasteilchen, Druckerhöhung würde nach rechts verschieben. Anders als bei der Ammoniaksynthese (nur rund 15 % NH₃ pro Durchgang) ist die Lage aber schon bei Normaldruck sehr günstig — teure Verdichter lohnen sich nicht. Luftüberschuss: Edukt O₂ im Überschuss → \(Q < K\) → mehr SO₃. Zwischenkühlung: Die Reaktionswärme heizt das Gas auf; Kühlen vor der nächsten Stufe erhöht \(K\) wieder. Zwischenabsorption: SO₃ wird entzogen (Produktentzug) → in der letzten Stufe fast vollständiger Umsatz (> 99,5 %). Gemeinsam: Katalysator bestimmt die Temperatur, Produktentzug statt Kreislauf bzw. zusätzlich zum Kreislauf. Unterschied: Druck ist bei Haber-Bosch nötig, beim Kontaktverfahren nicht.