Dünger aus der Luft – Das historische Birkeland-Eyde-Verfahren


Um in der Landwirtschaft genügend Pflanzen als Nahrungsquelle wachsen zu lassen, wird Stickstoff (N2) als Dünger benötigt. Zwar besteht die Luft zu 78 %  aus diesem, für Pflanzen ist er aber nur als Verbindung mit anderen Atomen nutzbar. Es müssen deshalb effiziente Methoden gefunden werden, um den Stickstoff aus der Luft in für die Pflanzen aufnehmbare Verbindungen umwandeln zu können. Diese Methoden werden als „Fixierung“ des Luftstickstoffs bezeichnet.

 

Ein Beispiel für die Fixierung von Luftstickstoff ist ein Verfahren, das 1903 von den beiden Norwegern Birkeland und Eyde entwickelt wurde. Beim Birkeland-Eyde-Verfahren wird zwischen zwei Elektroden ein Blitz erzeugt, der in ein Gemisch aus Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2) geleitet wird. Es entsteht Stickstoffmonoxid (NO):

 

N + O2 → 2 NO

 

Dieses kann als Ausgangsstoff für die Düngerherstellung dann weiter zu Nitrat-Salzen (NO3) reagieren.

 

Die wichtige Reaktion wird auch im Labor untersucht, um sie besser zu verstehen. Besonders die Reaktionsgeschwindigkeit ist dabei interessant. Da aus Sicherheitsgründen im Labor gerne mit geringeren Konzentrationen gearbeitet wird, stellt sich beispielsweise folgende Frage:

 

Welchen Einfluss hat eine Halbierung der Eduktkonzentrationen auf die Reaktionsgeschwindigkeit?


 

Phase 1: Zeichnung

Stell dir vor, du forschst im Jahr 1903 mit Birkeland und Eyde an ihrem Verfahren. Du hast die Aufgabe zu untersuchen, welchen Einfluss eine Halbierung der Startkonzentrationen auf die Reaktionsgeschwindigkeit des ersten Reaktionsschrittes hat:

 


Aufgabe:

Zeichne den Zustand des zweiten Systems nach 10s und erläutere in den vorgesehenen Feldern, wie sich die Halbierung der Startkonzentrationen auf den Anteil an Stickstoffmonoxid (NO) auswirkt.


 

System 1 bei t = 0s

System 1 bei t = 10s

System 2 bei t = 0s

System 2 bei t = 10s

Beschreibe deine Zeichnungen und erläutere deine Vorstellungen



Phase 2: Simulation Teil 1


Aufgabe 1:

Untersuche die Bildung von Stickstoffmonoxid (NO) ausgehend von unterschiedlichen Startkonzentrationen zwischen Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2).

Benutze die Slider, um ein Konzentrationsverhältnis einzustellen. Starte die Simulation und warte bis zum Stopp. Trage dann die Konzentration von NO in die zugehörigen Spalten der Tabelle unten ein.


 

Beschreibe anhand der Werte für NO den Einfluss einer Halbierung beider Startkonzentrationen auf die Reaktionsgeschwindigkeit:



Hilfe: Wie funktioniert die Simulation?

Phase 2: Simulation Teil 1


Aufgabe 1:

Untersuche die Bildung von Stickstoffmonoxid (NO) ausgehend von unterschiedlichen Startkonzentrationen zwischen Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2).

Benutze die Slider, um ein Konzentrationsverhältnis einzustellen. Starte die Simulation und warte bis zum Stopp. Trage dann die Konzentration von NO in die zugehörigen Spalten der Tabelle unten ein.


 

Erläutere deine Ergebnisse mit Hilfe der Teilchenstöße. Diese kannst du auch in der Simulation beobachten:



Hinweis: Berechnung von mittleren Reaktionsgeschwindigkeiten

Die durchschnittliche Reaktionsgeschwindigkeit kann man aus dem Quotient der Änderung der Konzentration und der entsprechenden Zeitspanne berechnen:

Nutze deine Messergebnisse aus der Tabelle, um die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit der Zeitspanne 0s bis 10s und der Zeitspanne 10s bis 20s zu berechnen, indem du die Werte in die Formel einsetzt. Du kannst dir deine Ergebnisse auf einem Blatt Papier notieren oder mit in das Textfeld unter der Tabelle schreiben.

Wie verändert sich die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit mit der Zeit? Bearbeite jetzt die Aufgabe über dem Feld unten.

Hilfe: Teilchenstöße


Weniger Teilchen verringern die Wahrscheinlichkeit für einen Stoß, der zu einer Produktbildung führt.


 

Phase 3: Überprüfung der Zeichnung


Aufgabe:

Sieh dir deine anfängliche Zeichnung nochmal an. Überlege, was du über das Verhältnis von Startkonzentrationen und Reaktionsgeschwindigkeit gelernt hast. Ergänze deine Zeichnung oder fertige eine neue Zeichnung an. Erläutere anschließend erneut deine Vorstellung


 

System 1 bei t = 0s

System 1 bei t = 10s

System 2 bei t = 0s

System 2 bei t = 10s

Beschreibe deine Zeichnungen und erläutere deine Vorstellungen erneut:



Phase 4: Anwendung


In der Einheit hast du die Reaktionsgeschwindigkeit (v) der Reaktion

 

O2 + N2 → 2 NO

 

 untersucht.

 

Unten findest du drei Vorschläge für eine Formel, mit denen du deine Ergebnisse mathematisch verallgemeinert darstellen kannst. Überlege, was passiert, wenn du die Konzentration der Edukte halbierst oder verdoppelst und wähle die Formel, die die Veränderung am besten darstellt. Dazu kannst du auf deine Messdaten aus der Tabelle zurückgreifen.


 

Formel 1
Formel 2
Formel 3

Erläutere auf der Teilchenebene, warum die von dir gewählte Formel die Einflüsse auf die Reaktionsgeschwindigkeit am besten darstellt:



Hinweis 1: Was ist k?

k ist eine Konstante; sie wird als Geschwindigkeitskonstante bezeichnet. k hängt von den Reaktionspartnern und der Reaktionsumgebung ab.

Hinweis 2: Was bedeuten die eckigen Klammern?

Die eckigen Klammern sind eine Art der Darstellung von Konzentrationen. [A] steht dabei ebenso wie die bekanntere Schreibweise c(A) für die Konzentration der Substanz A, [B] für c(B) usw. Diese Darstellungen sind kürzer und werden daher gerne in Formeln verwendet.

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Zeichnungen: System 2 nach t = 10s
Erste Zeichnung
Zweite Zeichnung
Beschreibung erste Zeichnungen Keine Angabe
Beschreibung zweite Zeichnungen Keine Angabe
Simulationsaufgabe Teil 1:
Beschreibung Einfluss Halbierung der Startkonzentration Keine Angabe
Simulationsaufgabe Teil 2:
Erläuterung Veränderung der Reaktionsgeschwindigkeit im Laufe der Reaktion? Keine Angabe
Anwendungsaufgabe: Ausgewählte Formel Keine Angabe
Anwendungsaufgabe: Erläuterung der Auswahl auf Teilchenebene Keine Angabe
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