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:

$4{\mathrm{NH}}_3(\mathrm{g})+5{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\underset{\mathrm{Pt}/\mathrm{Pt}-\mathrm{Rh}}{\overset{800-900{}^{\circ }\mathrm{C}}{\to }}$ $4\mathrm{NO}(\mathrm{g})+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})\mathrm{\Delta }{\mathrm{H}}^0=-906,11\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$

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

$4{\mathrm{NH}}_3(\mathrm{g})+3{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})⟶2{\mathrm{N}}_2(\mathrm{g})+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})$

Eine weitere unerwünschte Nebenreaktion ist die Bildung von Lachgas:

$4{\mathrm{NH}}_3(\mathrm{g})+4{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})⟶2{\mathrm{N}}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})$

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:

$2\mathrm{NO}(\mathrm{g})+{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\rightleftharpoons 2{\mathrm{NO}}_2(\mathrm{g})\mathrm{\Delta }{\mathrm{H}}^0=-114,22\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$

$2{\mathrm{NO}}_2(\mathrm{g})\rightleftharpoons {\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4(\mathrm{g})\mathrm{\Delta }{\mathrm{H}}^0=-57,23\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$

Schritt 3: Reaktion in der Oxidations- und Absorptionskolonne

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

$2{\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4(\mathrm{g})+{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})⟶4{\mathrm{HNO}}_3(\mathrm{aq})$

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

${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4(\mathrm{g})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})⟶{\mathrm{HNO}}_3(\mathrm{aq})+{\mathrm{HNO}}_2(\mathrm{aq})$

$3{\mathrm{HNO}}_2(\mathrm{aq})⟶{\mathrm{HNO}}_3(\mathrm{aq})+2\mathrm{NO}(\mathrm{g})\uparrow +{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$

$2\mathrm{NO}(\mathrm{g})+{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\rightleftharpoons 2{\mathrm{NO}}_2(\mathrm{g})$ (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