Ostwaldverfahren

Das Ostwaldverfahren

Das Ostwaldverfahren – Verfahrensprinzip

Das Ostwaldverfahren dient der großtechnischen Herstellung von Salpetersäure durch Oxidation von Ammoniak, welcher vorzugsweise durch das Haber-Bosch-Verfahren gewonnen wird. Es geht auf den deutschen Chemiker Wilhelm Ostwald zurück (Patent, 1902).^[1] Die grundlegende chemische Reaktion von Ammoniak mit Luft am Platinkontakt wurde jedoch bereits 1838 schon von Frédéric Kuhlmann patentiert.^[2][3]

Beschreibung

Das Verfahren läuft in drei Teilschritten ab. Ein Ausgangsstoff ist mittels Haber-Bosch-Verfahren erzeugtes Ammoniakgas. Weitere Ausgangsstoffe sind Luft und Wasser.

Schritt 1: Heterogene, katalytische Verbrennung von Ammoniakgas

Im ersten Schritt wird Ammoniak (NH₃) mit Sauerstoff (O₂) gemischt und in Gegenwart eines Platin-Rhodium-Katalysators bei 800 bis 900 °C zu Wasser (H₂O) und Stickstoffmonoxid (NO) umgesetzt (Bei neueren Anlagen wird ein spezielles Rückgewinnungsnetz eingesetzt, um das teure Platin zurückzugewinnen). Das Gasgemisch darf den Katalysator nur ganz kurz – nur etwa eine tausendstel Sekunde – berühren, da ansonsten das Stickstoffmonoxid wieder in die Elemente zerfällt:

$ \mathrm {4\ NH_{3}(g)\ +\ 5\ O_{2}(g)\ {\xrightarrow[{Pt/Pt-Rh}]{800-900\ ^{\circ }C}}} $ $ \mathrm {4\ NO(g)\ +\ 6\ H_{2}O(g)\ \ \Delta H^{0}=-906,11~{\rm {kJ/mol}}} $

Eine unerwünschte Nebenreaktion, die auch ohne Katalysator abläuft, ist die Oxidation des Ammoniaks zu elementarem Stickstoff unter Bildung von Wasser:

$ \mathrm {4\ NH_{3}(g)\ +\ 3\ O_{2}(g)\ \longrightarrow \ 2\ N_{2}(g)\ +\ 6\ H_{2}O(g)} $

Eine weitere unerwünschte Nebenreaktion ist die Bildung von Lachgas:

$ \mathrm {4\ NH_{3}(g)\ +\ 4\ O_{2}(g)\ \longrightarrow \ 2\ N_{2}O(g)\ +\ 6\ H_{2}O(g)} $

Die Nebenreaktionen werden durch eine möglichst hohe Netztemperatur und niedrigen Druck zurückgedrängt (s. Prinzip von Le Chatelier).

Schritt 2: Erzeugung von Stickstoffdioxid

In Schritt 2 senkt man die Temperatur des Stickstoffmonoxids (NO) auf unter 50 °C und mischt es mit Luft. Es läuft eine weitere Oxidation mit Sauerstoff (O₂) zu Stickstoffdioxid (NO₂) ab, welches anschließend zu Distickstofftetraoxid dimerisiert:

$ \mathrm {2\ NO(g)\ +\ O_{2}(g)\ \rightleftharpoons \ 2\ NO_{2}(g)\ \ \Delta H^{0}=-114,22~{\rm {kJ/mol}}} $

$ \mathrm {2\ NO_{2}(g)\ \rightleftharpoons \ N_{2}O_{4}(g)\ \ \Delta H^{0}=-57,23~{\rm {kJ/mol}}} $

Schritt 3: Reaktion in der Oxidations- und Absorptionskolonne

Die Stickoxide werden im 3. Schritt in Rieseltürmen mit Wasser zu Salpetersäure (HNO₃) umgesetzt:

$ \mathrm {2\ N_{2}O_{4}(g)\ +\ O_{2}(g)\ +\ 2\ H_{2}O(l)\ \longrightarrow \ 4\ HNO_{3}(aq)} $

Als Zwischenprodukte entstehen hierbei Stickstoffmonoxid (NO) und die Salpetrige Säure (HNO₂), denn die Reaktion verläuft über folgende Zwischenschritte:

$ \mathrm {N_{2}O_{4}(g)\ +\ H_{2}O(l)\ \longrightarrow \ HNO_{3}(aq)\ +\ HNO_{2}(aq)} $

$ \mathrm {3\ HNO_{2}(aq)\ \longrightarrow \ HNO_{3}(aq)\ +\ 2\ NO(g)\uparrow +\ H_{2}O(l)} $

$ \mathrm {2\ NO(g)\ +\ O_{2}(g)\ \rightleftharpoons \ 2\ NO_{2}(g)} $ (wie Schritt 2)

Siehe auch

• Kunstdünger
• Sprengstoff

Literatur

• Fr. Kuhlmann: Abhandlung über die Salpeterbildung. Neue Erzeugung von Salpetersäure und Ammoniak. In: Annalen der Pharmacie. 29, Nr. 1, 1839, ISSN 0365-5490, S. 272–279, doi:10.1002/jlac.18390290305.
• Erwin Riedel: Anorganische Chemie. de Gruyter, Berlin 2004, ISBN 3-11-018168-1.

Einzelnachweise