Chemie in der Technik - Altfragen

HDPE:

• Herstellung: Ziegler Katalysator radikale Polymerisation
• Molekülstruktur: siehe Bild
• Recyclingcode: 02
• Eigenschaften: spröde und kristallin, hart

LDPE:

• Herstellung: radikale Polymerisation ohne Katalysator
• Molekülstruktur: siehe Bild
• Recyclingcode: 04
• Eigenschaften: weich und dehnbar

LLDPE:

• Herstellung: Ziegler Katalysator radikale Polymerisation mit Zugabe eines Alkenes
• Molekülstruktur: siehe Bild
• Recyclingcode: 04 + stärkere Pfeile
• Eigenschaften: wenig spröde und nicht kristallin

Die Oxidation von Cumen liefert Phenol und Aceton. Bisphenol A entsteht durch Reaktion von Phenol mit Aceton (Daher das "A" in Bisphenol A). Es handelt sich um eine reguläre elektrophile aromatische Substitution.

Propen + Benzen über F.C. unter Zugabe von HCl/AlCl3 → Cumen

Cumen → Hock Synthese → Phenol und Aceton

Phenol + Aceton → Bisphenol A

Isocyanatklebstoffe härten durch Reaktion mit Luftfeuchtigkeit (Wasser) aus. Der Schlüssel ist die hohe Reaktivität der Isocyanatgruppe (–NCO) gegenüber Wasser.

Grundprinzip: Die Isocyanatgruppe reagiert mit H₂O → es entstehen reaktive Zwischenstufen, die schließlich zu Polymeren (Polyharnstoffen) führen.

Reaktionsmechanismus

1. Addition von Wasser an Isocyanat: R–N=C=O + H2O → R–NH–COOH; Bildung einer instabilen Carbaminsäure
2. Zerfall der Carbaminsäure: R–NH–COOH →  R–NH2 + CO2 ↑; Es entstehen: Amin (R–NH₂) und Kohlendioxid (CO₂) (Gasentwicklung!)
3. Reaktion des Amins mit weiterem Isocyanat:  R–NH2 + R'–NCO → R–NH–CO–NH–R'; Bildung einer Harnstoffgruppe (–NH–CO–NH–)

Warum härtet der Klebstoff aus?

• Die gebildeten Harnstoffgruppen verknüpfen viele Moleküle → Polymernetzwerk
• Es entsteht ein dreidimensional vernetzter Kunststoff (Polyharnstoff)
• Dadurch wird der Klebstoff fest (Aushärtung)

Isocyanate reagieren mit Wasser zu instabiler Carbaminsäure, die zu Amin und CO₂ zerfällt. Das Amin reagiert weiter mit Isocyanat zu Harnstoffgruppen, wodurch ein vernetztes Polymer entsteht → der Klebstoff härtet aus.

Novolak (säurekatalysiert)

Phenol + Formaldehyd + Säure

• Flüssig (mit unterschiedlichen Schmelzpunkten)
• Nur in Alkoholen und Ketonen löslich Wässrige Lösung
• lagerbar
• Lange, nicht sehr verzweigte Ketten
• Für gute Quervernetzung (damit es hart wird) muss man Formaldehyd zugeben
• Erste Anwendung für Lacke

Resol (basenkatlaysiert)

Phenol + Formaldehyd + Base

• LM in Alkoholen (mit unterschiedlicher Viskosität)
• Wässrige Lösung
• lagerbar Nicht gut lagerbar (würde mit sich selbst reagieren)
• Moleküle sind eher polar (viel O2) → basisch
• Beschleunigen: Säure dazugeben → H2O wird abgespalten und Ck+ entstehen, reagieren schnell miteinander

• Benzen kann man zu Adipinsäure umwandeln
• Adipinsäure kann zu Hexamethylendiamin reagieren lassen
• Lässt man Adipinsäure mit der Hexamethylendiamin zu einem Polymer reagieren, so entsteht Nylon 6,6

Weil sonst das gesamte Produkt nichts Wert ist. Farbe, Festigkeit, Eigenschaften - anders als erwünscht.

Ständige Polymerisation → bekommt man nicht mehr raus → unerwünscht Ausartungen.

Backbiting (in etwa mit "Rückgriff" ins Deutsche zu übertragen) ist ein oft verwendeter Ausdruck für eine besondere Form der Kettenübertragung während radikalischer Kettenreaktionen (Polymerisation und Depolymerisation). Backbiting bezeichnet dabei eine Kettenübertragung der Radikalfunktion vom Ende des Moleküls an eine andere Stelle dieses Moleküls (und dabei Umlagerung eines Wasserstoffatoms in die Gegenrichtung). Dabei wird aus dem primären Radikal ein (stabileres) sekundäres Radikal, welches nach der Kettenübertragung weitere Reaktionen und Umlagerungen eingehen kann.

Wegen der sterisch besonders bevorzugten Ringe aus 5, 6 oder 7 Ringgliedern krümmen bzw. falten sich die Ketten am Ende häufig so, dass auch Ringe aus 5 bis 7 Gliedern als instabile Zwischenstufen gebildet werden und so die Radikalübertragung von der letzten Methylen-Gruppe auf eine räumlich benachbarte (aber in der Kette 5 bis 7 Glieder weiter entfernte) Methylengruppe ermöglicht wird. In der Folge dieser Kettenübertragung kann es sowohl zur Ausbildung einer Kurzkettenverzweigung (z.B. beim LDPE) als auch zur Abspaltung von kleinen cyclischen Molekülen (z.B. beim Kettenabbau von Polymethylsiliconen) kommen.

Dynamite ist ein Sprengstoff.

Dieser besteht aus Nitroglycerin, der an einen Feststoff gebunden ist und mit einem Zünder ausgerüstet ist, baboom.

Alfred Nobel hat diesen Erfunden.

Aramide ist der ISO-Gattungsbegriff für solche Polyamide, bei denen die Amidgruppen an aromatischen Gruppen gebunden sind.

Die p-Aramidfasern wie auch die p-Aramid-Copolymer-Fasern zählen zur Gruppe der hochfesten Synthesefasern mit erhöhter Temperaturbeständigkeit.

Markennamen:

• p-Aramidfasern: Kevlar (DuPont), Twaron (Teijin Aramid)
• para-Aramid-Copolymer: Technora (Teijin Aramid)

Entscheidend für die Eigenschaften des Materials ist die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem Sauerstoff der Carbonylgruppe und dem am Stickstoff gebundenen Wasserstoff.

1. PS - Addition Polymerisation, Thermoplast
2. Polymilchsäure - Condensation Polymerisation
3. PF - Condensation Polymerisation
4. LD PE - Chain Growth Polymerisation, Thermoplast
5. Polyamide - step growth polymerisation

Dampf-Cracken:

• Verfahren: Bei Dampf cracken werden durch thermisches Cracken langkettige Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Wasserdampf in kurzkettige Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden
• Naphtha unter 70°C→ 200°C; C5 → C9 Hydrocarbons
• Reaktive Zwischenstufe: Radikale
• Produkte: Olefine, Methan, Propen, Ethen Pyrolysebenzin, Wasserstoff
• Bedeutung in der Industrie: energiesparender als thermisches cracken, da zugesetzter Wasserdampf die Partialdrücke der Komponenten senkt

Katalytisch Cracken:

• Verfahren: Das katalytische Cracken ist ein chemisches Verfahren, bei dem organische Substanzen unter Mitwirkung eines Katalysators erhitzt werden. Die katalytischen Crackverfahren werden zur Spaltung von verschiedenen höher siedenden Erdölfraktionen, beispielsweise von Schwerölfraktionen, eingesetzt. Als Katalysatoren dienen Aluminiumoxide, Aluminiumsilicate und Zeolithe.
• Gasöl: 175 °C → 370°C; C9 → C25 Hydrocarbons
• Reaktive Zwischenstufe: keine
• Produkte: Isobutane, Propen, Ethen, Ethan Butan
• Bedeutung in der Industrie: Keine Nebenreaktionen aus sterischen Gründen, spart Geld umweltfreundlicher, selektiver. Reaktoren müssen nicht sauer und resistent sein

Propylen (CH₂=CH–CH₃) ist ein asymmetrisches Alken. Bei einer radikalischen Polymerisation entstehen Zwischenstufen (Radikale), die entweder primär oder sekundär sein können. Dabei gilt:

• Das sekundäre Radikal (am mittleren C-Atom) ist stabiler als ein primäres
• radikalische Polymerisation von Propylen zu: geringer Reaktivität; vielen Nebenreaktionen(z. B. Kettenabbruch, Umlagerungen); unregelmäßiger Struktur (ataktisches Polymer); Ergebnis: Kein hochwertiges, technisch brauchbares Polymer

Wie Polypropylen stattdessen hergestellt wird:

• Polypropylen wird durch katalytische Polymerisation hergestellt, meist mit: Ziegler-Natta-Katalysatoren (z. B. TiCl₄ + Al(C₂H₅)₃) oder Metallocen-Katalysatoren
• Diese ermöglichen eine stereospezifische Polymerisation, sodass z. B.: isotaktisches Polypropylen entsteht
• Das ergibt ein kristallines, stabiles und technisch wertvolles Material

Recycling-Code von Polypropylen: 05 (PP)

Reaktionsmechanismus (Ziegler-Natta, vereinfacht):

1. Aktivierung des Katalysators: Bildung eines aktiven Metall-Alkyl-Komplexes
2. Koordination des Propylen-Monomers: Doppelbindung lagert sich am Metallzentrum an
3. Insertion (Einlagerung): Monomer wird in die Metall–C-Bindung eingebaut
4. Kettenwachstum: Wiederholte Koordination + Insertion → Polymer wächst
5. Kettenabbruch: z. B. durch β-H-Eliminierung oder Reaktion mit Wasserstoff

Radikalisch → unkontrolliert, unbrauchbar

Katalytisch → kontrolliert, stereospezifisch → Polypropylen (PP)

Keine Nebenreaktionen mit Zeolith

HCl, AlCl3

Ethylenbenzen entsteht durch die Friedl-Craft-Reaktion. Dabei wird zuerst die Salzsäure dem Ethen hinzugefügt und es entsteht Chlorethan. Durch Zugabe von AlCl3 wird das Cl abgespalten und es entsteht ein positiv geladener Ethan. Dieser bindet sich an den Benzen.

Man gibt H2O dazu, da sonst zu HCOOH und dann CO2 weiter reagiert werden könnte.

• Zuckerrohr für Ethanol: 5 Mio. ha werden verwendet
• Mais für Ethanol: 12 Mio. ha
• Ölpflanzen für Biodiesel: 2 Mio. ha

Primäre Ölgewinnung

• ein Loch wird gebohrt, und Erdöl quillt nach oben wegen dem Unterdruck
• 10-20% werden so hergestellt

Sekundäre Ölgewinnung

• ein Loch wird gebohrt, aber es gibt nicht genügend Druck, das Erdöl nach oben zu
• befördern → man drückt ein Gas hinunter und das Öl gelangt an die Erdoberfläche
• 30% des Erdöls werden so hergestellt

Tertiäre Ölgewinnung

• Pumpe mit heißem Wasser
• Viskosität sickert nach unten
• Seife (Tenside) werden hinzugefügt
• am Ende: man muss Wasser und Öl wieder voneinander trennen - 50% des Erdöls werden so hergestellt

Erdöl ist ein Gemisch aus verschiedenen Stoffen. Durch die Destillation ist es möglich durch Fraktionierung

1. Isotaktisch: Alle CH3- Gruppen zeigen auf die gleiche Seite; Immer gleich; Sehr geordnet; kristallin, fest, stabil
2. Snydiotaktisch: CH3- Gruppen wechseln regelmäßig die Seite; Abwechselnd; Sehr geordnet; relativ stabil
3. Ataktisch: CH3- Gruppen sind zufällig; Chaotisch; weich, klebrig, nicht kristallin

Cumen wird oxidiert

• Peroxid entsteht (sehr instabil)
• wird angesäuert und spaltet Phenol und Aceton ab (ist dadurch dann noch stärker exotherm!)

= Hock Synthese

Epoxidkleber ist ein polares Produkt, welches andere polare Stoffe gut verklebt, da jedoch Polyethylen als Kunststoff unpolar ist, klebt dieser nicht gut.

• Recycling Code 1
• Wasserflaschen, Flaschen für Limonaden, Erdnuss
• PET kann man relativ gut recyceln
• PET-Flaschen werden zunächst zerdrückt, dann gereinigt, nach Farben sortiert und in kleine Stücke zerschreddert (oder alternativ: eingeschmolzen und zu Granulat verarbeitet). Dann werden die Kunststoffreste bei der Herstellung neuer Flaschen beigefügt.

Thermales Cracking (z.B. Steam-C.)

• Cracking zu Petrochemikalien
• leichte Produkte (z.B. Naphta) werden geteilt
• Cracking durch Zugabe von Wasserdampf (= Steam)
• braucht höhere Temperaturen
• langsamer als katalytisches Cracken

Katalytisches Cracking (z.B. FCC)

• Cracking zu verzweigten Ketten (Fuels)
• schwere Produkte werden geteilt
• bevorzugt (fluidisierten) Katalysator (Zeolith)
• keine Nebenreaktionen aus sterischen Gründen, spart Geld, umweltfreundlicher, selektiver
• Reaktoren müssen nicht sauer und resistent sein

Beim Dampfcracken wird ein langkettiges Alkan wie n-Dekan (C₁₀H₂₂) bei sehr hohen Temperaturen (≈ 800–900 °C) in kleinere Moleküle gespalten. -> Es läuft radikalisch ab (homolytische Bindungsspaltung).

1. Initiation (Startreaktion): Homolytische Spaltung einer C–C-Bindung; Zwischenstufe: zwei Alkylradikale (R)
2. Kettenfortpflanzung (Propagation): a) β-Spaltung: Ein Radikal zerfällt zu einem Alken + neuem Radikal; Bildung von Ethen (Hauptprodukt im Cracker!) b) Wasserstoffabstraktion: Neues Radikal entsteht → Kettenreaktion läuft weiter; c) Weitere β-Spaltung (Kettenabbau): Propen + Metylradikal
3. Kettenabbruch (Termination): zwei Radikale rekombinieren

Beeinflussung durch Veränderung der Temperatur.

• Superphosphat: enthält ca. 20% „P2O5“
• Ammoniumphosphat: MAP: NH4H2PO4; DAP: (NH4)2HPO4; Durch Neutralisation von H3PO4 mit NH3: Feststoffdünger (gut lagerfähig)
• Doppelsuperphosphat: Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 → 3 Ca(H2PO4)2
• Ammoniumpolyphosphat [NH4PO3]n = APP: Meist flüssiger Dünger (häufig in den USA); Man geht von Polyphosphonsäure aus; → neutralisiert es dann mit verdünnter NH3
• Tripelsuperphosphat: enthält > 40% „P2O5“; Wird erreicht durch Verwendung von H3PO4 höherer Reinheit
• Nitrophosphat
• Apatit Ca3(PO4)2

Aus der Reaktion mit Flourapatit entsteht weißer Phosphor: siehe Bild

Beryllium

• Vorkommen: Als Bertrandit, Als BeO
• Darstellung: Schmelzflusselektrolyse von BeCl2, Reduktion von BeF2 mit Mg
• Verwendung: Be-Cu Legierungen, Moderator in Kernreaktoren, Be-Folien für Röntgenröhren, Oxidkeramik

Magnesium

• Vorkommen: Erdkruste (2%), Carbonate: Magnesit (MgCO3) → China, Chloride (Carnallit), Meerwasser (MgCl2)
• Darstellung: Schmelzflusselektrode von MgCl2, Thermische Reduktion (MgCO3·CaCO3 → MgO·CaO+2CO2), 2 (MgO·CaO) + Si (Fe) → 2, Mg + Ca2SiO4 + (Fe), Brennen von MgO
• Verwendung: Legierung mit Al, Reduktionsmittel in der Metallurgie, Pyrotechnik, Wärmeisolation und Füllstoff sowie auch fürs Brennen von MgO (Carbonate), Mörtel, künstliche Steine (Magnesiumoxid), Magnesitsteine (Feuerindustrie, Stahlerzeugung), Sintermagnesia (Laborgeräte)

Calcium

• Vorkommen: Erdkruste (4%), Carbonat (CaCO3), Sulfat (CaSO4), Phosphat (Ca4(PO4)3), Fluorid (CaF2), diverse silikate und Alumosilicate
• Darstellung: CaO + 2 Al → 3 Ca(g) + 3 CaO·Al2O3
• Verwendung: Reduktionsmittel bei der Herstellung von Zr, Th, U und SE, Herstellung CaH2; Als CaCO3 & CaO: Sodaherstellung, Düngemittel, Glasherstellung, Baustoffindustrie, Herstellung von CaC2, CaCl(OCl); Als Ca(OH)2 → starke Base, als Kalkmilch für Mörtel; Als CaC2: Herstellung von Acetylen; Als CaCN2: Düngemittel, Herstellung von Cyanamid, Melamin, Thioharnstoff

Strontium

• Vorkommen: Carbonat (SrCO3 Cölestin) und Sulfat (SrSO4 Strontianit)
• Darstellung: Aluminothermie
• Verwendung: Als Sr(NO3)2 in Feuerwerkskörpern für eine rote Farbe

Barium

• Vorkommen: Als Sulfat BaSO4
• Darstellung: Elektrolyse mit anschließender Hochvakuumsublimation
• Verwendung: Als Sulfat zu 90% in der Erdöl und Erdgasförderung als Füllstoff Kontrastmittel in der Medizin Ba(NO3)2 in grünen Feuerwerkskörpern, Herstellung von anderen Barium Verbindungen

Wasserstoff:

• Bedeutung: Raffinerie, Ammoniaksynthese, Methanolsynthese
• Darstellung: petrochemische Prozesse + Kohlevergasung Elektrolyse von Wasser Nebenprodukt bei z.B.: Chloralaklielektrolyse

Wasserstoffperoxid

• Bedeutung: Waschmittel, Perborate, Bleichmittel, Abwasserbehandlung (Eliminierung von Phenolen, Cyaniden, Schwefelverbindungen)
• Darstellung: Oxidation von Isopropanol Elektrochemisches Verfahren, Anthrachinonverfahren

Zusammensetzung der Luft:

• 78,08 Vol% Stickstoff
• 20,95 Vol% Sauerstoff
• 0,93 Vol% Edelgase
• 0,04 Vol% CO2
• Hauptkomponente + Erstes Element -> NH3 (Edukt)

Haber Bosch Verfahren (NH3-Synthese)

N2(g) + 3 H2(g)2 → NH3(g)

nach Le Chatelier:

1. Exoterme Reaktion - GG rechts bei niederiger Temp
2. Volumensverminderung - GG rechts unter Druck

Daher folgende Parameter:

T= 400-500°C

p = 250-300 bar

Katalysator: Fe3O4

Ausgangsstoffe: N2 und H2

Darstellung von N2 und H2

• Darstellung von N2: fraktionierte Destillation flüssiger Luft; Generatorgasverfahren
• Darstellung von H2: Steam-Reforming; Wassergas -Verfahren; Elektrolyse von H2O

Verwendung von NH3:

• Düngemittelproduktion,
• Salpeterherstellung,
• Harnstoff,
• Kunststoff,
• Pflanzenschutzmittel,
• organische Produkte

Elektrofiltration: Durchleiten eines Gases durch ein starkes elektrisches Feld (50-60 kV), dabei werden Staubteilchen negativ aufgeladen und an der Anode abgeschieden.

Elektrofiltration ist ein Teil des Kontaktverfahrens zur Synthese von H2SO4.

• Rösten von Sulfiden oder Verbrennen von Schwefel → SO2-Luftgemisch
• Elektrofiltration des Röstgases zur Reinigung von Flugstaub und Arsenverbindungen
• Oxidation: 2 SO2 + O2 <-> 2 SO3 (V2O5 als Katalysator) bei 450°C mit Katalysator (= Kontakt), O2 Überschuss verschiebt GGW
• Absorption von SO3 in konz. H2O4 (98%), danach kontinuierliche Verdünnung mit H2O als Kontaktsäure: SO3 + H2SO4 → H2S2O7 ; H2S2O7 + H2O → 2 H2SO4

Verwendung: Produktion von Düngemitteln (65%), Petrochemie, Synthese von HF ; HCl ; Al2SO4 , Farbstoffe, Sprengstoffe, Fasern und Kunststoffe, Metallurgie für die Aufbereitung von Blei und Kupfer, Bleiakkumulatoren z.B. im Auto

Darstellung: Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 → 3 CaSO4 + 2H3PO4

• Dihydratverfahren: → CaSO4 ∙ 2 H2O; Säurekonzentration ≈ 30% P4O10; P4O10-Ausbeute: 95%; Anlagen mit 1000t P4O10 pro Tag
• Hemihydratverfahren: → CaSO4 ∙ 1/2 H2O; Säurekonzentration ≈ 35-50% P4O10

Verwendung der Phosphorsäure:

• 90% Düngemittel
• Waschmittelphosphate (stark rückläufig – da: umweltschädlich)
• Industrie-Reininger
• Tierfutter
• Lebensmittelbereich (kommt als E-Nummer: Phosphorsäure als Säuerungsmittel in Süßgetränken – Coca Cola)
• Metallbehandlung

Salze der Phosphorsäure

Pentanatriumphosphat (Waschmittel):

• wirkt als Wasserenthärter, da die Anionen mit Mg2+ und Ca2+ lösliche Komplexe bilden und so die Ausfällung der Härtebildner auf der Faser verhindern (indem es Chelatkomplexe bildet)
• ist aber aus ökologischen Gründen sehr stark eingeschränkt! (Eutrophierung von Gewässern)
• in Geschirrspülmitteln

Ammoniumphosphate

• Brandschutz (Flammhemmer für Papier, Textilien, ...) verhindern das Nachglühen von Streichhölzern

Calciumphosphate

• als Futtermittel, Backpulver, Zahnpasten (als Emulgatoren für Feuchthaltemittel)

Wichtig für die Harnstoffsynthese:

CO2(g) + 2 NH3(aq)→NH2COONH4(aq) → 70% vom CO2 wird in Harnstoff umgewandelt!

Solvay-Verfahren (Herstellung von Natriumcarbonat – Soda) siehe Bild

Herstellung von Magnesium und beim Brennen zu MgO:

• bei der Aluminium – Elektrolyse entsteht bei der Anode CO2
• im Hochofen entsteht beim Hämatit, Wüstit und Magnetit CO2

Katalytische Oxidation von NH3, auch Ostwald Verfahren genannt ist schrittweise die Oxidation des Ammoniaks bis zur Salpetersäure.

• 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O (bei 850-950°C)

Da NO zu N2 und O2 sich zersersetzt bei hohen Temperaturen, wird Pt oder Pt/Rh Katalysator angewendet.

Oxidation von NO zu HNO3:

• 2 NO + O2 → 2 NO2
• 2 NO2 + H2O → HNO3 + HNO2
• 3 HNO2 → HNO3 + H2O + 2NO

Seltene Erdmetalle sind Elemente aus der Gruppe der Lantanoide, sowie Scandium und Yttrium.

Lanthanoide haben alle sehr ähnliche Eigenschaften, sind grundsätzlich reaktionsfreudig, unedel, silber glänzend und laufen an der Luft an

Gewinnung: durch Schmelzflusselektrolyse

Nachhaltigkeit: Recycling durch Fällung (teuer!), Zonenschmelzverfahren, Flüssig-Flüssig-Extraktion mit flüssigem Magnesium

• Lanthan (Linsen für Elektronenmikroskope)
• Samarium (Spielzeug, Kopfhörer, Mikrophone, Kernspintomograph)
• Holmium (Steuerstäbe in Brutreaktoren)
• Cer (Cereisen, selbstreinigende Küchenherde)
• Europium (Energiesparlampen)
• Erbium (YAG-Laser)
• Praseodym (Gläser für Schweißbrillen, Flugzeugmotoren),
• Gadolinium (NMR-Tomographie Kontrastmittel, Radarschirmleuchstoff)
• Thulium (Röntgenstrahlungsquelle)
• Neodym (Sonnenbrillen, stärkste Magneten)
• Terbium (Laserdrucker, Optoelektronik zum Lesen von CDs)
• Ytterbium (Legierungen)
• Promethium (Radionuklid-Batterien für Herzschrittmacher und Satelliten, Dickemessung als Beta-Strahler)
• Dysprosium (Halogenlampen, Dosimeter, Abschmirmung von AKWs)
• Lutetium (Legierungen)
• Scandium (Quecksilberlampen)
• Yttrium (Yac-Laser)

Ostwaldverfahren

4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O (bei 850-950°C)

Da NO zu N2 und O2 sich zersetze bei hohen Temperaturen, wird Pt oder Pt/Rh Katalysator angewendet.

Oxidation von NO zu HNO3

2 NO + O2 → 2 NO2

2 NO2 + H2O → HNO3 + HNO2

3 HNO2 → HNO3 + H2o + 2NO

Abgasreinigung

4 NH3 + 6 NO → 5 N2 + 6 H2O

8 NH3 + 6 NO2 → 7 N2 + 12 H2O

Raschnig Verfahren

2 NaOH + Cl2 + 2 NH3 → N2H4 + 2 NaCl + 2 H2O

H2O2 Verfahren

NH3 + H2O2 + 2 C2H5-(CO)-CH3 (Methylethylketon) →

Methylethylketonazin (C2H5)(CH3)C=N-N=C(CH3)(C2H5) + 2 H2O

Herstellung von Ammoniumsulfat

2 NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4

Herstellung von Ammoniumnitrat

NH3 + HNO3 → NH4NO3 (180°C, Druck)

Solvay Verfahren: siehe Bild

Gips Schwefelsäure Verfahren

• 4CaSO4 + 2C → 4CaO + 4 SO2 + 2CO2
• (Calciumphosphat, Kohlenstoff, Calciumoxid, Schwefeldioxid, Kohlestoffdioxid)

Herstellung von Calcium

• 6 CaO + 2 Al → 3 Ca(g) + 3 CaO·Al2O3
• (Calciumoxid, Aluminium, Calcium)

Herstellung von Calciumcarbid

• CaO + 3 C ⇌ CaC2 + CO
• (hin: 2000-2200 °C, zurück < 1600°C)
• (Calciumoxid, Kohlenstoff, Calciumcarbid, Kohlenstoffmonoxid)

Solvay Verfahren

• siehe Bild

Die Aluminiumgewinnung aus Bauxit läuft in zwei großen Schritten ab:

1. Aufbereitung zu Aluminiumoxid (Al₂O₃)
2. Schmelzflusselektrolyse zu Aluminium

Bauxit als Ausgangsmaterial für Al-Gewinnung (ca. AlO(OH), Al(OH)3; + Tonmineralien, + Fe2O3)

Bauxit ⇒ reines Al2O3 ⇒ Schmelzflusselektrolyse

Herstellung von reinem Al2O3 aus Bauxit (AlO(OH)/Al(OH)3 + Fe2O3 + Silicate):

• Bayer-Verfahren („Nasser Aufschluss“)
• Prinzip: Al(OH)3 amphoter, Fe2O3, SiO2 nicht!
• Filtrieren, verdünnen, animpfen: Na[Al(OH)4] <-> NaOH + Al(OH)3↓
• Filtrieren, erhitzen: 2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O↓

Voraussetzungen für die Aluminiumgewinnung

• Rohstoff: Bauxit (enthält Al₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂)
• Hohe Temperaturen (bis ~1000 °C)
• Große Energiemengen (Strom für Elektrolyse)
• Zusatzstoff: Kryolith (Na₃AlF₆) zur Schmelzpunkterniedrigung

1.     Bayer-Verfahren (Gewinnung von Al₂O₃)

• Aufschluss: Bauxit wird mit Natronlauge (NaOH) unter Druck und Hitze behandelt: Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O → 2 [Al(OH)4]-; Aluminium geht in Lösung (als Aluminat)
• Abtrennung der Verunreinigungen: Eisenoxide & Silikate bleiben fest → werden abfiltriert; sogenannter Rotschlamm
• Fällung: Durch Abkühlen/Zugabe von Keimen: [Al(OH)4]- → Al(OH)3 ↓
• Glühen: 2 Al(OH)3  → Al2O3 + 3 H2O; Reines Aluminiumoxid (Tonerde)

2.     Schmelzflusselektrolyse (Hall-Héroult-Verfahren)

• Problem: Al₂O₃ hat einen extrem hohen Schmelzpunkt (~2050 °C)
• Lösung: Lösen in Kryolith (Na₃AlF₆) → senkt Schmelzpunkt auf ~950 °C
• Elektrolyse-Reaktionen: Kathode (Reduktion): Al3+ + 3 e- → Al, flüssiges Aluminium sammelt sich unten; Anode (Oxidation): 2 O2- + C → CO2 + 4e-, Kohlenstoffanoden werden verbraucht

Wichtige Eigenschaft: Amphoterie von Aluminiumoxid bzw. Aluminiumhydroxid

• Al₂O₃ reagiert sowohl sauer als auch basisch
• löslich in NaOH → Trennung von Verunreinigungen möglich
• gezielte Fällung wieder möglich
• Ohne diese Eigenschaft wäre das Bayer-Verfahren nicht möglich! 

Problem: Viele Reaktionen sind exotherm, dadurch verschiebt sich das GGW auf die Seite der Edukte. Um diesem Problem entgegenzuwirken braucht es einen passenden Katalysator (z.B. Pt im Ostwald-Verfahren)

Vorkommen:

• Erdkruste (4,7%) als Magnetit, Hämatit, Siderit, Pyrit
• Roheisen enthält neben Eisen auch noch Kohlenstoff (2,5-4%), Silicium, Mangan, Phosphor und Schwefel (in kleinen Spuren)
• Langsames Abkühlen: Graues Roheisen (Fp ~ 1200°C)
• Rasches Abkühlen in Kokillen (Gussform): Weißes Roheisen (Fp ~ 1100°C)

Schlacke: Im Straßenbau, Bausteine, Zement und Isolationsmaterial

Gichtgas: 50-55 % N2 , 25-30 % CO, 10-16 % CO2 , 0,5-5 % H2 , 0-3 % CH4

• Heizwert: 4000kJ/m³

Aufbau eines Hochofens:

• 25-40m hoch, 10-15m Durchmesser, bis zu 4000m³ Rauminhalt
• Zuschläge - zur Überführung der „Gangart“ (= Beimengung im Erz) in leicht
• schmelzbare Schlacke (= Calcium- AluminiumSilikate)
• → für saure Erze (Silikate oder Alumosilikate): Zugabe von CaCO3 oder CaCO3 x MgCO3
• → für basische Erze (Kalk oder Dolomit): Zugabe von Silikaten (z.B.: Feldspat)

Boduard-Gleichgewicht:

• unten sind Hochöfen „bauchiger“ (= Rast), da während dem Prozess eine Volumens-Veränderung auftritt - CO2 + C → 2 CO (bei höheren
• Temperaturen: auf Seite von CO) (CO als wichtiges RM)
• C löst sich im Fe, daher wird der Schmelzpunkt von Fe erniedrigt von 1538°C auf 1100-1200°C (deshalb darf Stahl nur einen bestimmten Anteil an C haben!)
• für 1t Fe benötigt man ca. 2t Erz + 1t Koks + 0.5 Zuschläge + 5.4t Wind
• man erhält 1t Schlacke und 7t Gichtgas
• Roheisen wird durch ein „Stichloch“ abgegossen

Gewinnung von Süßwasser aus Meerwasser:

• Verdampfung
• Umkehrosmose
• Elektrodialyse

Verdampfung:

• = vielstufiger Entspannungsverdampfer, wesentlich teuerer als Süßwasseraufbereitung
• das Meerwasser wird auf eine Temperatur von ca. 115°C erwärmt, das Salzwasser verdampft in Entspannungsstufen unter Vakuum und der Wasserdampf schlägt sich als Kondensat in den Rohrleitungen nieder und wird als salzfreies Wasser abgezogen. Anschließend wird das mit Salz angereicherte Wasser auf 40°C abgekühlt und wirkt in den Rohrleitungen als Kühlflüssigkeit. Der gesamte Vorgang stellt einen geschlossenen Kreislauf dar. Der Überschuss des salzigen Wassers gelangt wieder ins Meer zurück.
• 90-120°C, in 18-24 Stufen
• das Konzentrat wird auf das maximal 1,6-fache des Salzgehaltes aufkonzentriert
• um CaSO4 und MgSO4 (→ Löslichkeit) zu bilden, wird H2SO4 zugesetzt

Umkehrosmose:

• 70% der Anlagen, aber nur ca. 35% Trinkwasser Meerwasser gelangt durch eine semipermeable Membran aus Acetylcellulose oder Polyamid. Diese wirkt wie ein Filter und lässt nur bestimmte Ionen und Moleküle durch. Dadurch erhält man eine Auftrennung der Lösung (Salze, Bakterien, Viren, Kalk, Gifte,... werden zurückgehalten)
• Lösung mit 0,5% Salz – osmotischer Druck: 3,5 bar
• Ausbeute: ca. 30%
• Membran: Acetylcellulose oder Polyamid
• Energieverbrauch: ca. 50% von der Verdampfung

Elektrodialyse:

• elektrochemischer Membranprozess,
• Ionenaustauschermembranen in Kombination mit elektrischer Potentialdifferenz benutzt werden, damit man ionische Spezies abtrennen kann.

Wasser bedeckt 70 % der Erdoberfläche, 97 % davon Salzwasser, vom Süßwasser nur 25 % nicht als Eis gebunden ⇒ < 1% der Wasserreserven als Trinkwasser nutzbar

Entfernung gelöster anorganischer Verunreinigungen (Ca2+):

• wegen Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2↑ + H2O beim Erhitzen
• Ca(HCO3)2 + H2SO4 → CaSO4 + 2 CO2↑ + 2 H2O
• oder Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2 CaCO3↓ + 2 H2O

Filtrieren über Aktivkohle:

• zur Entfernung von organischen Verunreinigungen (Flusswasser) entfernt 50-150 g TOC/m3 Aktivkohle und Tag (total organiccarbon), gesamter organischer Kohlenstoff

Sicherheitschlorierung:

• Sicherheitschlorierung in Wien: 0,1-0,2 mg Cl2/l

Ostwaldverfahren - Oxidation von NO zu HNO3

• 2 NO + O2 → 2 NO2
• 2 NO2 + H2O → HNO3 + HNO2
• 3 HNO2 → HNO3 + H2O + 2NO

Entfernung von Stickoxiden

• 4 NO + 4 NH3 + O2 4 N2 + 6 H2O

Phosphorhaltige Düngemittel

• Verwendung: Landwirtschaft
• Superphosoporsulfat: enthält ca. 20% "P2O5"
• Doppelsuperphosoporsulfat: Ca3(PO4)2 + 4H3SO4 → 3Ca(H2PO4)2
• Trippelsuperphosoporsulfat: enthält > 40% "P2O5", wird erreicht durch Verwendung von H3PO4 höherer Reinheit
• Ammoniumphosphat: MAP: (NH4)H2PO4, DAP: (NH4)H2PO4, druch Neutralisation von H3PO4 mit NH3: Feststroffdünger (gut lagerfähig)
• Nitrophosphate
• Apaitit Ca3(PO4)2

Stickstoffhaltige Düngemittel

• Verwendung: Landwirtschaft
• Ammoniumsulfat: fällt häufig als NP an (in der Metallurgie, bei der Entschwefelung von Rauchgasen, aus dem Ammoniak der Kokereien, aus Abfällen der OC), Herstellung druch Neutralisation von Schwefelsäure druch Ammoniak
• Harnstoff: Verwendung (83% Dünger, 7% Tiernahrung, 6% Harze und Kleber), größtes Produktionvolumen, Herstellung ist oft mit Ammoniaksynthese gekoppelt, CO2(g) + 2NH3(aq) → NH2COONH4(aq) = Ammonimcarbamat, NH2COONH4(aq) NH2CONH2(aq) + H2O → Molverhältnis NH3/Co2 = 4/1 (bei 200^C und 250 bar, es wird ca. 70% vom CO2 in Harnstoff umgewandelt

Kaliumhaltige Düngemittel

• K2SO4 & KNO3 → eingesetzt bei Pflanzen, die keine Chloridionen vertragen, z.B. Tabak, Spinat und Gurken
• Wie werden Kaliumhaltige Düngemittel gewonnen?: aus „Abraumsalzen“, durch Schachtabbau, Aussolung, z.B.: Trennung durch Löseverfahren

• 50% Glasproduktion
• 19% Chemikalien
• 10% Natriumphosphat
• 13,5% Seifen
• 2,5% Papierindustrie

Solvay Verfahren: siehe Bild

LiAl[Si2O6] Spodumen ⇒Li2CO3

Li2CO3 ist ein Rohstoff, mit dem die Industrie weiterarbeitet

1. Alpha-Spodumen: wird in eine Beta-Modifikation umgewandelt (dann kann mehr Li2CO3 gewonnen werden).
2. Weiterhin wird konz. Schwefelsäure hinzugefügt.
3. Durch Zugabe von Natriumcarbonat (Soda) werden zuerst die Verunreinigungen ausgefällt und abfiltriert.
4. Weiteres Alkalisieren mit Natriumcarbonat führt zur Ausfällung von Lithiumcarbonat, das abfiltriert oder abzentrifugiert wird
5. Bei stark verunreinigtem Ausgangsmaterial wird nochmals mit Schwefelsäure aufgelöst und mit Natriumcarbonat gefällt.

Chlorierung, Ozonisierung

• Cl2 + H2O → HCl + HOCl
• Durchbruchschlorung (0,2-0,5 mg Cl2/l nach Behandlung) Chlorierung bewirkt:
• Abtöten der Keime, Viren
• Oxidation von Kationen, z.B. Fe3+, Mn4+
• Chlorierung von NH3:
• NH3 + ClO^- → NH2Cl + OH^-
• 3 NH2Cl → NH4Cl + N2↓ + 2 HCl
• Phenole → Chlorphenole
• Huminsäuren → Chlorkohlenwasserstoffe
• Ozonisierung: 0.2 bis 1.0 g O3 pro m^3 H2O vermeidet Chlorkohlenwasserstoffe, aber teuer.

Flockung und Sedimentation

pH = 6,5 – 7,5: Al2(SO4)3 + 6 H2O → 2 Al(OH)3 → + 3 H2SO4

pH = 8,5: Fe2(SO4)3 + 6 H2O → 2 Fe(OH)3 → + 3 H2SO4

Filtration

• Sandfilter 1-2 m
• Teilchengröße 0,2-2 mm

N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)

nach Le Chatelier:

1.  Exoterme Reaktion - GG rechts bei niedrigen Temperaturen
2. Volumesverminderung - GG rechts unter Druck

Daher folgende Parameter:

• T= 400-500°C
• p = 250-300 bar
• Katalysator: Fe3O4

Darstellung von N2 und H2

• Darstellung von N2: fraktionierte Destillation flüssiger Luft; Generatorgasverfahren
• Darstellung von H2: Steam-Reforming; Wassergas -Verfahren; Elektrolyse von H2O

Verwendung von NH3:

• Düngemittelproduktion,
• Salpeterherstellung,
• Harnstoff,
• Kunststoff,
• Pflanzenschutzmittel,
• organische Produkte