Bildung + Gesellschaft

Wenig Chemielehrkräfte | Im Jahr 2018 haben nach Angaben des statistischen Bundesamts 1476 junge Leute in Deutschland ein Lehramtsstudium der Chemie aufgenommen. Das entspricht etwa 12 % der Erstsemester in allen Chemiestudiengängen. Die Deutsche Physikalische Gesellschaft meldet, dass in Physik etwas weniger als 15 % aller Studienanfänger das Lehramt anstreben. Die Kultusministerien rechnen in den nächsten fünf Jahren mit einem Mangel an Absolventen von Lehramtsstudiengängen. So hat Nordrhein-Westfalen prognostiziert, vor allem für Chemie, Physik, Technik und Informatik den Bedarf an Lehrkräften nicht decken zu können. Einen Teil des Bedarfs haben die Schulen in den letzten Jahren vermehrt durch Seiten- oder Quereinsteiger gedeckt.Neues Förderprogramm für Postdocs in Österreich | Der staatliche Wissenschaftsfonds in Österreich, FWF, erhöht sein Budget für die Förderung von Postdocs vom 13 auf 20 Mio. Euro im Jahr. Nachwuchswissenschaftler, die ihre Karriere an einer Universität oder einem außeruniversitären Forschungsinstitut in Österreich fortsetzen möchten, können nun drei Jahre Geld aus dem Fonds erhalten und sich ganzjährig darum bewerben. Neue Begutachtungskriterien sollen zudem die Benachteiligung von Frauen im Wissenschaftsbetrieb verhindern.Das neue Programm Esprit ersetzt die bisherigen Lise-Meitner- und Hertha-Firnberg-Programme.Informationen zum Programm: <a href="https://t1p.de/cbwf" target="_blank">t1p.de/cbwf</a>Männliche Jugendliche in Mint-Berufen | Nur 11 % der Jugendlichen, die im Jahr 2018 mit der Ausbildung in einem naturwissenschaftlichen oder technischen Beruf begannen, sind weiblich. Insgesamt 143 300 Männer und 17 000 Frauen schlossen einen Ausbildungsvertrag in einem Mint-Beruf ab.Rechnerisch kommen auf 100 offene Ausbildungsplätze 101 Bewerber. Allerdings blieben 2018 in diesen Berufen 14 300 Plätze unbesetzt, zum einen weil sich mehr Jugendliche für beispielsweise einen Laborberuf interessieren als für Bautechnik. Zudem bemängeln Arbeitgeber die Qualifikation der Schulabgänger. Insgesamt gibt es in Mint-Berufen zurzeit etwa 530 000 Auszubildende.FZ

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Bildung und Ausbildung

Wenig Chemielehrkräfte | Im Jahr 2018 haben nach Angaben des statistischen Bundesamts 1476 junge Leute in Deutschland ein Lehramtsstudium der Chemie aufgenommen. Das entspricht etwa 12 % der Erstsemester in allen Chemiestudiengängen. Die Deutsche Physikalische Gesellschaft meldet, dass in Physik...

Prof.Dr.

Für die Ammoniaksynthese, so wie sie Anfang des 20. Jahrhunderts als großtechnischer Prozess entwickelt wurde, gibt es Modellexperimente. Diese lassen Lernende auch die historische Entwicklung nachvollziehen.
Chemieunterricht thematisiert das chemische Gleichgewicht in der Regel am Beispiel chemisch-technischer Prozesse. Oft steht dabei die Prozessführung im Mittelpunkt, und Lehrkräfte diskutieren die Verfahren im Unterricht theoretisch.Im Fall des Haber-Bosch-Verfahrens zur Ammoniaksynthese lassen sich bekannte Experimente einbinden und ergänzen. Diese bieten den Schülern einen experimentellen und einen geschichtlichen Zugang.<h2>Stickstoff chemisch binden – eine Chronologie</h2>Im 19. Jahrhundert wurde Salpeter (Natriumnitrat) für Düngemittel aus Chile importiert. Allerdings waren die Vorkommen begrenzt, und um die Jahrhundertwende wuchs in Europa die Bevölkerung und damit die Nachfrage nach Stickstoffdünger in der Landwirtschaft. Zugleich waren viele Länder bestrebt, von Chile unabhängig zu werden.Im Jahr 1898 prophezeite der englische Chemiker William Crookes eine Hungersnot für die folgenden zwanzig bis dreißig Jahre, wenn es nicht gelänge, Stickstoffdüngemittel künstlich herzustellen, und er führte dazu aus: „Die Bindung atmosphärischen Stickstoffs ist eine der großen Entdeckungen, die auf die Genialität der Chemiker wartet.“Im Jahr 1897 gelang es den deutschen Wissenschaftlern Fritz Rothe, Adolph Frank und Nikodem Caro (Frank-Caro-Verfahren) Kalkstickstoff (CaCN2 + C) aus Calciumcarbid und Stickstoff im technischen Maßstab bei 900 °C herzustellen. Kalkstickstoff wurde mit Wasser zu Ammoniak umgesetzt. Die Prozesszeit war relativ lang und die Ausbeute an Ammoniak gering. Zugleich traten temperaturbedingte Werkstoffprobleme auf, sodass die Produktion wieder eingestellt wurde.Wilhelm Ostwald arbeitete ebenfalls an einem Verfahren für die Ammoniakherstellung. Im April 1900 leiteten seine Laborassistenten ein Gemisch von drei Raumteilen Wasserstoff und einem Teil Stickstoff über erhitzte Eisenbündel und wiesen Ammoniak nach. Ostwald meldete in der Folge ein Patent zur „Herstellung von Ammoniak und Ammoniakverbindungen aus freiem Stickstoff und Wasserstoff“ an und verkaufte es an die chemische Industrie. Damit hatte er die Grundlage für die Ammoniaksynthese nach Haber und Bosch gelegt.Im Jahr 1902 stellten die Norweger Kristian Birkeland und Sam Eyde über elektrische Entladung Stickoxide aus Stickstoff und Sauerstoff her, was sehr energieaufwendig war. Da in Norwegen genügend Wasser zur Verfügung stand, nutzten die Entwickler Wasserkraft, um Energie zu gewinnen.In Deutschland führte Carl Bosch Anfang des 20. Jahrhunderts Versuche zur Bildung von Ammoniak im Lichtbogen durch. Diese Forschungsarbeiten unterstützte ab 1904 der Chemiker Alwin Mittasch. Es gelang ihnen zwar, Ammoniak herzustellen, jedoch war die Ausbeute so gering, dass sie im Jahr 1908 den Versuchsbetrieb einstellten.Im gleichen Zeitraum entwickelte die Société Generale des Nitrures in Paris ein Verfahren, um durch Hydrolyse aus Metallnitriden Ammoniak zu gewinnen, das Serpek-Verfahren. Die Herstellung des Metallnitrids war ein teurer, aufwendiger und energiereicher Prozess, und die Ammoniakausbeute war zu gering, als dass sie die Nachteile hätte ausgleichen können. Hinzu kamen Probleme mit der Beständigkeit der Öfen, die bis zu 2000 °C standhalten mussten (Kasten). Damit war das Verfahren großtechnisch nicht einsetzbar. Das Verdienst des Erfinders Ottokar Serpek bestand in der Erkenntnis, dass die Reaktionsgeschwindigkeit hoch genug für einen technischen Prozess ist.<h2>Aus dem Archiv der BASF: Ottokar Serpek über die Ammoniaksynthese</h2>„Mein teurer Freund,ich habe ein Verfahren entdeckt, um aus Magnesiumnitrid Ammoniak herzustellen. Es ist sichtlich einfach, man muß es nur mit Wasser in Berührung bringen.Magnesiumnitrid + Wasser 1 Ammoniak + MagensiumhydroxydAllerdings habe ich große Bedenken, dieses in industriellem Maßstab umzusetzen. Es braucht extrem hohe Temperaturen, um alleine das Magnesiumnitrid herzustellen (über 2000°C). Ich befürchte, dass die riesigen Öfen in den Fabriken den Temperaturen nicht stand halten können. Auch der Kapitalaufwand ist gewaltig. Die Kosten für 100 kg Magnesium belaufen sich zur Zeit auf 4000 Mark. Wenn es doch nur eine Möglichkeit gäbe, Ammoniak ohne Umwege über das Magnesiumnitrid herzustellen.Hochachtungsvoll, dein alter Freund Ottokar SerpekLudwigshafen, den 11.04.1902“<h2>Das Serpek-Verfahren im Chemieunterricht</h2>Schüler der Sekundarstufe I kennen aus dem Chemieunterricht die Experimente Verbrennen von Magnesium und Redoxreaktion von Magnesium mit Wasser. Hier ist das didaktische Ziel, herauszuarbeiten, wie Magnesiumoxid entsteht – alle weiteren Reaktionsprodukte werden zunächst nicht betrachtet.Werden die Experimente jetzt in der Sekundarstufe II noch einmal eingesetzt, erweitert sich das didaktische Ziel: Die Lernenden erkunden und vergleichen die Reaktionsprodukte. Dazu beginnen sie mit der Reaktion zwischen Magnesium und Wasser und stellen dann Magnesiumnitrid her. Wie beim Serpek-Verfahren setzen sie das Nitrid weiter zu Ammoniak um und können es als Reaktionsprodukt nachweisen.Detaillierte Versuchsvorschriften sowie die Reaktionsgleichungen finden sich im Begleitmaterial unter <a href="https://nachrichtenausderchemie.de/downloads" target="_blank">nachrichtenausderchemie.de/downloads</a>.<h2>Magnesium, Wasser, Stickstoff</h2>Um Magnesium mit Wasser umzusetzen, werden in ein Borsilikatverbrennungsrohr zwei Magnesiarinnen mit Magnesiumspänen gegeben, das Rohr zirka 10 cm hoch mit angefeuchtetem Sand beschickt und mit einem Stopfen verschlossen. Anschließend erhitzen die Experimentatoren mit einem Brenner den feuchten Sand und leiten so den Wasserdampf über die glühenden Magnesiumspäne (Abbildung 1).<figure><img src="https://media.graphcms.com/2K74ox5vTdWf9SAq85Oc"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Experimentieranordnung für die Reaktion von Magnesium mit Wasserdampf.</figcaption></figure>
Um Magnesiumnitrid herzustellen, werden in einer Metallschale Magnesiumspäne als Kegel positioniert und die Kegelspitze wird mit der Brennerflamme entzündet (Abbildung 2).<figure><img src="https://media.graphcms.com/yHtO9C2NSFejRuVjXiSr"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Experimentieranordnung zur Herstellung von Magnesiumnitrid.</figcaption></figure>
Nach der Reaktion muss das Reaktionsprodukt abkühlen, bevor es mit einer Pinzette herumgedreht und auseinandergebreitet wird. Dabei sind neben weißen gelblich-grüne Stoffportionen zu sehen. Im Verbrennungsrohr ist ausschließlich ein weißer Feststoff sichtbar.Der weiße Stoff ist Magnesiumoxid, der gelblich-grüne Stoff ist Magnesiumnitrid. Magnesium reagiert beim Verbrennen an der Luft nicht nur mit dem Sauerstoff, sondern auch mit dem Stickstoff der Luft. Obwohl der Anteil von Stickstoff in der Luft um das Vierfache höher ist als der von Sauerstoff, reagiert Magnesium zuerst mit dem Sauerstoff.Erst wenn der Sauerstoff verbraucht ist, reagiert das Magnesium mit dem Stickstoff. Durch die Anordnung der Magnesiumspäne in der Metallschale werden Luftportionen im Inneren des Kegels durch die entstandenen Magnesiumoxidportionen eingeschlossen und der Stickstoff reagiert mit dem Magnesium zu Magnesiumnitrid. Damit kann die experimentelle Arbeit fortgeführt und wie beim Serpek-Verfahren Magnesiumnitrid mit Wasser umgesetzt werden.<h2>Ausgangsmaterial Magnesiumnitrid</h2>Um Ammoniak herzustellen, geben die Schüler drei Spatellöffel Magnesiumnitrid aus dem Vorgängerexperiment in ein 100-mL-Becherglas. Das Becherglas decken sie dann mit einem Uhrglas ab, auf dessen Innenseite ein angefeuchteter Streifen Universalindikatorpapier haftet. In das Becherglas wird etwas Wasser getropft, und das Uhrglas wieder darübergelegt (Abbildung 3). Die Mischung im Becherglas beginnt zu schäumen, der Indikatorstreifen färbt sich blau, und es riecht nach Ammoniak.<figure><img src="https://media.graphcms.com/sXOppqFOQdWPfevUbdTU"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Experimentieranordnung für die Synthese von Ammoniak aus Magnesiumnitrid und den Nachweis der alkalischen Reaktion der wässrigen Lösung von Ammoniak.</figcaption></figure>
Hält man einen mit Salzsäure benetzten Glasstab in die obere Hälfte des Becherglases, bildet sich Ammoniumchlorid, das als weißer Rauch zu beobachten ist. Magnesiumnitrid reagiert mit Wasser zu Ammoniak und Magnesiumhydroxid.<h2>Der Weg zum Haber-Bosch-Verfahren</h2>Seit dem Jahr 1903 beschäftigte sich Fritz Haber damit, Ammoniak direkt aus Stickstoff und Wasserstoff herzustellen. Stickstoffmoleküle zu spalten, erfordert hohe Temperaturen, bei denen bereits gebildete Ammoniakmoleküle wieder zerfallen. In Zusammenarbeit mit Walter Nernst, der wesentliche wissenschaftliche Grundlagen zur Ammoniaksynthese erarbeitet hatte, wurde die Reaktion unter hohem Druck durchgeführt, um die Ammoniakausbeute zu steigern. Um die Reaktion bei niedrigeren Temperaturen ablaufen lassen zu können, verwendete Haber einen Katalysator, über den er die Gase wiederholt leitete.Aufgrund der extremen Reaktionsbedingungen hielt die BASF das Verfahren zunächst nicht für technisch beherrschbar, stimmte jedoch zu, den Prozesses weiterzuentwickeln.Am 2. Juli 1909 gelang die kontinuierliche Synthese von acht Gramm Ammoniak in der Stunde. Als optimaler Katalysator stellte sich Eisen heraus, dem Tonerde und Kalium zugesetzt waren.Im Gegensatz zu den Versuchsöfen hielten die großtechnischen Öfen dem Druck auf Dauer nicht stand: Nach achtzig Stunden platzten sie, da der heiße Wasserstoff Kohlenstoff aus dem Stahl herausgelöst hatte. Bosch löste das Problem, indem er kohlenstoffarmen und damit weichen Stahl für ein Futterrohr verwendete und es mit einem Mantel aus härterem, kohlenstoffhaltigem Stahl umgab.Im September 1913 ging in Oppau die erste Ammoniakfabrik weltweit in Betrieb. Die Tagesproduktion betrug mehr als drei Tonnen je Hochdruckofen.Heute werden jährlich weltweit mehr als 150 Millionen Tonnen Ammoniak produziert. Mit etwa 80 Prozent geht der größte Teil nach wie vor in die Herstellung von Düngemitteln. Über 90 Prozent des produzierten Ammoniaks entsteht in der Direktsynthese über das Haber-Bosch-Verfahren. Die Produktion setzt pro Kilogramm Ammoniak mehr als ein Kilogramm CO2 frei. Darüber hinaus führt der Düngemitteleintrag zu Umweltbelastungen. Im Unterricht sind neben diesen Fakten die Leistungen Habers sowie sein Wirken im ersten Weltkrieg und seine Rolle im Gaskrieg zu problematisieren.<h2>Modellexperiment zur Ammoniakherstellung</h2>Um die Lernenden die Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff, die Notwendigkeit eines Katalysators und den Einfluss der Temperatur experimentell erkunden zu lassen, eignet sich folgendes Modellexperiment:Die Experimentatoren versetzen zunächst 100 mL destilliertes Wasser mit 25 mL konzentrierter Schwefelsäure und geben von der Lösung 20 mL und einige Kupfersulfatkristalle in ein Unterteil einer Waschflasche (Abbildung 4).<figure><img src="https://media.graphcms.com/KXupZYXvTAalvoi5Ffrq"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Experimentieranordnung: Modellexperiment zur Herstellung von Ammoniak aus den Elementen.</figcaption></figure>
Anschließend beschicken sie ein Halbmakroreagenzglas mit 7 mL gekühlter Ammoniumchloridlösung und 1,4 mL ebenfalls kalter, gesättigter Natriumnitritlösung und stellen es in die Waschflasche. Danach werden fünf große Zinkgranalien in die Schwefelsäurelösung gegeben und sechs Tropfen konzentrierte Essigsäure in das Halbmakroreagenzglas. Die Essigsäure verstärkt die oxidierende Wirkung der Natriumnitritlösung.Die Reaktion von Zink und Schwefelsäure setzt nicht nur Wasserstoff, sondern auch Wärme frei, sodass im Reagenzglas Stickstoffentwicklung einsetzt. Die Gase aus der Waschflasche strömen in das Borosilikatverbrennungsrohr.Vor der eigentlichen Reaktion ist mit der Knallgasprobe zu prüfen, ob die Apparatur sauerstofffrei ist. Erst dann darf der Katalysator aus Aluminiumoxid und Eisenpulver im Borsilikatverbrennungsrohr zum Glühen gebracht werden. Das Reaktionsprodukt strömt in ein Reagenzglas mit Indikatorlösung. Sobald sich diese pink färbt, wird das Reagenzglas mit dem Winkelrohr entfernt. Ein Kolben, der vorher mit konzentrierter Salzsäure ausgeschwenkt wurde, wird unter das Winkelrohr gestellt. Ammoniak reagiert mit HCl zu Ammoniumchlorid, das im Rundkolben als weißer Rauch zu beobachten ist.<figure><img src="https://media.graphcms.com/EhYrlpkZT02vBazSru0b"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Von Mg zum Haber-Bosch-Verfahren.</figcaption></figure>
<h2>Die Autoren</h2>Diesen Beitrag haben Mareike Dittmer, Marc Sören Homeyer (Fotos) und Brigitte Duvinage verfasst. Dittmer unterrichtet Chemie und Biologie an der Anna-Seghers-Schule, bildet Lehrer aus und habilitiert über individuelles experimentelles Lernen mit multimedialer Unterstützung. Homeyer hat an der Universität Potsdam über Photometrie im Chemieunterricht promoviert, im Januar 2020 seinen Vorbereitungsdienst beendet und unterrichtet seitdem Chemie und Biologie an der Katholischen Schule Bernhardinum in Fürstenwalde (Spree). Duvinage leitete von 2001 bis 2019 als außerplanmäßige Professorin die Chemiedidaktik an der Universität Potsdam.<div><img src="https://media.graphcms.com/AnzBTk9BTI26BTp8z9DS">

</div><div><img src="https://media.graphcms.com/1yxJ4PyeTGOQUNtoAv6B">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Bevor sich das Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese in der Industrie etablierte, gab es einige Vorgänger, darunter das Serpek-Verfahren.Im Chemieunterricht lassen sich diese früheren Überlegungen und Entwicklungen anhand von Experimenten mit Magnesium nachvollziehen.Die Experimente für die Sekundarstufe II bauen dabei auf solchen auf, die Schüler bereits aus der Sekundarstufe I kennen.Wissenschaftler aus der experimentell-konzeptionellen Chemiedidaktik stellen hier regelmäßig ihre Arbeiten vor.
<ul><li>
1 A. Mittasch, Geschichte der Ammoniaksynthese, Verlag Chemie, Weinheim, 1951</li><li>
2 D. Stoltzenburg, Fritz Haber – Chemiker, Nobelpreisträger, Deutscher Jude, VCH, Weinheim, 1994</li><li>
3 P. Vageler, Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff als Pflanzennährstoffe, Verlag von Johann Ambrosius Barth, Leipzig, 1909</li><li>
4 W. Glöckner, W. Jansen, R. G. Weissenhorn, Handbuch der experimentellen Chemie – Sekundabereich II, Band I, Aulis Verlag Deubner&amp;CoKG, Köln, 2002</li><li>
5 M. Szöllösi-Janze, Fritz Haber – 1868–1934, C.H. Beck Verlag, München, 1998</li><li>
6 Ostwalds Klassiker der exakten Naturwissenschaften, ab 1889, 275 Bände bis 1987, Nachdruck: Frankfurt am Main ab 1995</li></ul>

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