Naam: 5C datum: 1 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: Inhoudstafel Inleiding Stikstofwinning Problemen bij de productie van stikstof Biologische stikstoffixatie Hoe wordt ammoniak geproduceerd? Hoe wordt salpeterzuur geproduceerd? Hoe wordt ureum geproduceerd? Chemische en fysische eigenschappen van Ammoniak Salpeterzuur Toepassingen van Ammoniak Salpeterzuur Ureum Vast ureum Ureum oplossing Bronnen 2 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: Inleiding De stikstofindustrie, die ook behoort tot de basisindustrieën, heeft als voornaamste producten ammoniak (………)en salpeterzuur (………). Salpeterzuur is een belangrijke grondstof voor de fabricage van meststoffen en springstoffen. De stikstofindustrie vormt één geheel met de vloeibare lucht- en waterstofbereiding. Stikstof is al bekend vanaf de Oudheid. Het werd ontdekt door Daniel Rutherford in het jaar 1772. Stikstof is een zeer belangrijke stof in bepaalde industrieën terwijl het zelf niet zo zeer reageert met andere stoffen. Stikstof wordt gebruikt voor een zeer groot aantal toepassingen in de dagelijkse industrie. Het wordt gebruikt van meststof tot een bestandsdeel van explosieven. Werken met stikstof is ook niet altijd zonder risico’s, het kan hevige brandwonden veroorzaken of kan indien er niet genoeg geventileerd wordt, zorgen voor verstikking. Voor de bereiding in het groot van stikstof is men aangewezen op de dampkringlucht als uitgangspunt. Hieruit wordt de stikstof gewonnen door middel van de vloeibare-luchtmethode (welke later wordt behandeld). Voor de bereiding van kleine hoeveelheden stikstof uit de lucht worden de andere bestanddelen door chemische of andere middelen daaruit verwijderd. De waterdamp door bijv. bevriezing, het koolstofdioxide door een base (bijv. kalk), het zuurstof door gloeiend ijzer of witte fosfor. Stikstofwinning Problemen bij de winning van stikstof: Hoewel stikstof niet-toxisch en inert is, kan het tot verstikking leiden door de levensnoodzakelijke zuurstof in de lucht te verdringen. Vloeibare stikstof kan bij aanraking tot bevriezing leiden, vooral huid en ogen zijn kwetsbaar. Om die schadelijke effecten te vermijden, is het noodzakelijk dat producenten en gebruikers de strenge veiligheidsvoorschriften voor de opslag en het gebruik van stikstof volgen. Biologische stikstoffixatie: (zie filmpje) Dit komt voor wanneer stikstof uit de lucht wordt omgezet in ammoniak door een enzym genaamd nitrogenase. N2 + 8 H+ + 8 e- 2 NH3 + H2N2 + 8 H+ + 8 e2 NH3 + H2N2 + 8 H+ + 8 e- 2 NH3 + H2 3 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: Productie van ammoniak Ammoniak (……..) wordt in grote installaties geproduceerd door hydrogenering van stikstof uit de lucht. Dit gebeurt onder hoge druk met hulp van een katalysator. De ontwikkeling van deze katalysator vond plaats voordat er begrip over de werking van katalysatoren en de invloed op reacties bestond. Rond 1910 bestond de enige manier erin om duizenden verschillende stoffen te proberen, de meest geschikte katalysator bleek magnetiet (ijzeroxide) te zijn. Wat is Hydrogenering? .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... De productie van ammoniak vindt plaats volgens het Bosch-Haber proces door een katalytische reactie van waterstof met stikstof onder hoge druk. Geschiedenis: In Karlsruhe deed Fritz Haber in 1908 zijn grootste uitvinding, het Haberproces. Het lukte hem om uit stikstofgas (N2) en waterstofgas (H2) onder hoge druk ammoniak (NH3) katalytisch te syntheseren. Carl Bosch, die werkzaam was bij de Badische Anilin und Soda Fabrik (BASF), maakte er een industrieel proces van en in 1913 kon de eerste grote ammoniakfabriek worden geopend in Oppau. Wat is het haber-bosch proces? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… De aantal stappen van de NH3 productie: 1. ontzwavelen van het aardgas 2. Kraken In 2 reacties wordt een mengsel van stikstof en waterstof verkregen. De waterstof wordt vooral uit aardgas (CH4) gemaakt. De stikstof wordt gevormd door stoom en lucht. Methaangas reageert katalytisch, waardoor een mengsel van koolstofmonoxide, stikstof en waterstof ontstaat met Ni als katalysator. 4 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: Maak de reactievergelijkingen (2) …………………………………………………………………… …………………………………………………………………... 3. Conversie Het verwijderen van CO via omzetting in CO2 door toevoeging van stoom (H2O). Maak de reactievergelijking: ………………………………………………………………….. 4. Het verwijderen van CO2 In deze stap wordt het koolstofdioxide uit het gasmengsel verwijderd, zodat een gasmengsel van waterstof en stikstof in de juiste molverhouding wordt verkregen. Het CO2 wordt eerst in een wasvloeistof opgelost en later weer terug gewonnen. Het gaat voor een gedeelte naar de levensmiddelenindustrie (frisdranken) 5. Methanisering Er zijn nog zeer kleine hoeveelheden CO en CO2 aanwezig. Deze resten worden in de methanisering omgezet in methaan 6. Compressie Het gasmengsel van stikstof en waterstof wordt samengeperst tot een druk van ca 200 bar. 7. NH3 synthese. In de reactor vindt de vorming van ammoniak plaats bij 500 °C en een druk van 200 bar ………………………................……………………… Ongeveer 15 % van het gasmengsel wordt omgezet in NH3. 8. NH3 scheiding. Het gasmengsel wordt naar de scheidingsruimte gevoerd, waarin het sterk wordt afgekoeld. De ammoniak condenseert en wordt vloeibaar. De vloeibare ammoniak wordt van de overblijvende stikstof en waterstof afgescheiden. Het resterende mengsel van stikstof en waterstof wordt niet verspild, maar wordt hergebruikt in het reactorvat. Zie stap 6. 5 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: Toepassingen van ammoniak Ammoniak in de chemische industrie Acrylonitril wat met o.a. ammoniak wordt geproduceerd,is een tussenproduct voor de productie van polymeren. Het wordt gebruikt als grondstof van acrylvezels,autoonderdelen,flessen en buizen Caprolactam,dat gebaseerd is op ammoniak,is een belangrijk tussenproduct in de productie van Nylon Chemische producten in het dagelijkse leven: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… Ammoniak in de gezondheidszorg In de cosmetische en farmaceutische industrie wordt ammoniak ook toegepast, bijvoorbeeld in medicijnen tegen epilepsie. Ontleden van ammoniak in de staalindustrie een van de toepassingen van ammoniak is het ontleden of ‘kraken’ voor de productie van waterstof en stikstof.de meest gebruikte toepassing van ammoniak kraken is in de ijzer-en staalindustrie. Productie van salpeterzuur Salpeterzuur (HNO3) is één van de belangrijkste producten van de anorganische en organische chemie. Het ontstaat uit NOx door reactie van water en zuustof. het wordt ook in de bodem door bacteriën gevormd. Het wordt in grote bedrijven geproduceerd door oxidatie van een gasmengsel(ammoniak en lucht) en met platina als katalysator. Vervolledig: …..NH3 +…..O2 →…..NO +…..H2O …...NO +….. O2 →…. NO2 ……NO2 +..... H2O →…..HNO3 +….NO 6 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: De bereiding van salpeterzuur in 3 stappen: Vul aan: 1. Ammoniak wordt verbrand in aanwezigheid van een katalysator (lucht). Hierbij ontstaat stikstofmonoxide en waterdamp …………………………………… 2. Het stikstofmonoxide reageert met zuurstof tot stikstofdioxide. …………………………………… 3. Het stikstofdioxide leidt men in warm water. Hierbij ontstaan salpeterzuur en stikstofmonoxide. …………………………………… ……. ……… ……….. . ………… ……… …….. reactor A: hier gebeurd de eerste reactie.ammoniak wordt bij 900 ºC verbrand. Bij deze temperatuur kunnen enkel NO en H2O ontstaan. reactor B: In deze reactor treden de 2de en 3de reacties op. Alle NO2 dat bij de eerste reactie verkregen werd,word nu verder gereageert bij de 2de reactie. Alle NO wordt omgezet. de totaalreactie van opgelost salpeterzuur ......NH3 + … O2 ....... H+ +........NO3 - + …… 7 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: toepassing van salpeterzuur Polyurethanen Deze worden geproduceerd op basis van salpeterzuur of geconcentreerd salpeterzuur.het is aanwezig in textielvezels,isolatie,meubels/matrassen/autostoelen;verfcoatings,rubber,pijpleiding en schoenen. Nylon-66 Nylon-66 wordt geproduceerd met salpeterzuur.het wordt gebruikt bij de productie van textielvezels, brandstoftanks,draadisolatie,borstels,banden,kunstgras,afsluitkleppen,leidingen en autoonderdelen. Salpeterzuur in de farmaceutische industrie Nitreerzuur, de meest voorkomende reagentia voor de productie van organische moleculen (fijnchemicaliën),is een mengsel van geconcentreerd salpeterzuur en geconcentreerd zwavelzuur. fijnchemicaliën worden gebruikt als bouwstenen of tussenproducten bij de productie van bv:geneesmiddelen. Salpeterzuur als reinigingsmiddel in de zuivelindustrie Salpeterzuur is een van de basischemicaliën die worden gebruikt voor de reiniging in de voedingsmiddelen- en zuivelindustrie. salpeterzuur is een chemische stof op stikstofbasis die vaste restlagen verwijderd. Salpeterzuur als distikstoftetroxide voor de ruimtevaartindustrie Distikstoftetroxide is een tussenproduct in de productie van salpeterzuur.het is salpeterzuur zonder water en wordt gebruikt als startmateriaal voor nieuwe militaire explosieven en als brandstof voor raketten en satellietraketten. 8 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: Productie van ureum Ureum (NH2)2CO is een stikstofhoudende chemische verbinding en een belangrijke basiscomponent in de chemische industrie. ureum wordt geproduceerd van methaan, dizuurstof en water. Eerst wordt aardgas gekraakt om waterstofgas te produceren. vervolgens wordt hiermee met stikstofgas uit de lucht ammoniak gemaakt in het Haber-Bosch proces. Het ammoniak wordt in een volgende productiestap omgezet in ureum door een reactie van ammoniak met koolzuur. Toepassingen van ureum Vaste ureum Voor het behandelen van metaaloppervlakten tijdens gietwerk In de farmacie ............................................................................ .............................................................................. ............................................................................ .............................................................................. .............................................................................. .............................................................................. ............................................................................. ............................................................................... Ureum oplossing Voedingsstof voor afvalwaterbehandelingsprocessen Grondstof voor reinigingsmiddelen en farmaceutische producten Voedingsmiddel voor bio-ethanol industrie 9 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: Chemische en fysische eigenschappen Geef enkele eigenschappen van ammoniak: - ………………………………………………………….… - ……………………………………………………………. - ……………………………………………………………. - ……………………………………………………………. - ……………………………………………………………. - …………………………………………………..……….. NH3 + H2O ↔ NH4+ + OHHet kookpunt van ammoniak ligt bij -33 °C , het is dus niet moeilijk om met vloeibaar ammoniak te werken, hetzij bij lagere temperaturen of bij hogere drukken. Vloeibare ammoniak heeft dezelfde eigenschappen als water,omdat het molecuul een dipool heeft en omdat deze moleculen onderling waterstofbruggen kunnen vormen. Geef enkele eigenschappen van salpeterzuur: - …………………………………………………………………. - …………………………………………………………………. - …………………………………………………………………. - …………………………………………………………………. - …………………………………………………………………. KNO3 + H2SO4 KHSO4 + HNO3 Zuiver en watervrij salpeterzuur is een kleurloze vloeistof met een dichtheid van ongeveer 1,5 g/ml. Onder een temperatuur van -42°C kristalliseert het uit als witte kristallen.De ideale opslagtemperatuur voor salpeterzuur ligt beneden 0°C, omdat hogere temperaturen aanleiding kunnen geven tot ontledingsreacties. Daarbij ontstaan stikstofoxiden, die de vloeistof een karakteristieke gele of zelfs bruine kleur bezorgen. Wanneer de zuivere vloeistof aan de lucht wordt blootgesteld, ontstaan witte dampen. Indien de vloeistof reeds opgelost stikstofdioxide bevat, ontstaan hierbij roodbruine nitreuze dampen. 10 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: Vragen 1. De 2 voornaamste producten die worden geproduceerd met stikstof : …………………………………………………………………………………………………………. 2. Hoe word stikstof gewonnen? …………………………………………………………………………………………………………... 3. In de ammoniakfabriek worden een aantal stappen onderscheiden. Hoeveel stappen zijn er en welke zijn het? …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… 4. Waarvan wordt ureum gemaakt? ………………………………………………………………………………………………………….. 5. In welke industrieen wordt ammoniak onder andere gebruikt? …………………………………………………………………………………………………………… 6. Wat is kraken? …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… 11 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: 12 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: Horizontaal 2. Een stikstofhoudende chemische verbinding en een belangrijke basiscomponent in de chemische industrie. 4. worden gebruikt als bouwstenen of tussenproducten bij de productie van geneesmiddelen. 7. Proces hydrogenering van stikstof uit de lucht onder hoge druk d.m.v. een katalysator. 8. Een stof die de snelheid van een bepaalde chemische reactie beïnvloedt zonder zelf verbruikt te worden. 9. Is o.a. aanwezig in textielvezels en wordt geproduceerd op basis van salpeterzuur of geconcentreerd salpeterzuur. 10. Een chemisch proces waarbij een onverzadigde binding wordt omgezet in een verzadigde binding door additie van waterstofgas, bijvoorbeeld een dubbele koolstofbinding die wordt omgezet in een verzadigde koolstofbinding 11. De ontdekker van stikstof in 1772. Verticaal 1. Is gebaseerd op ammoniak en is een belangrijk tussenproduct in de productie van Nylon. 3. Salpeterzuur zonder water en wordt gebruikt als brandstof voor raketten en satellietraketten. 5. Een enzym dat stikstof uit de lucht omzet in ammoniak. 6. Een bedrijf dat zich voornamelijk bezig hield met het maken van kleurstoffen. 13 Stikstofindustrie Naam: 5C datum: bronnen www.yara.nl www.boerenbusiness.nl www.chemischefeitelijkheden.nl www.wikipedia.org www.natuurlijkerwijs.com www.schooltv.nl/beeldbank/clip/20101212_stikstof01 www.digischool.nl/ak/onderbouw-vmbo/materiaal/begrip/b_milieu.htm 14 Stikstofindustrie
