Ostwaldverfahren


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_2O(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_2O(g)} $

Eine weitere unerwünschte Nebenreaktion ist die Bildung von Lachgas:

$ \mathrm{4\ NH_3(g)\ +\ 4\ O_2(g)\ \longrightarrow\ 2\ N_2O(g)\ +\ 6\ H_2O(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_2O_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_2O_4(g)\ +\ O_2(g)\ +\ 2\ H_2O(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_2O_4(g)\ +\ H_2O(l)\ \longrightarrow\ HNO_3(aq)\ +\ HNO_2(aq)} $
$ \mathrm{3\ HNO_2(aq)\ \longrightarrow\ HNO_3(aq)\ +\ 2\ NO(g)\uparrow +\ H_2O(l)} $
$ \mathrm{2\ NO(g)\ +\ O_2(g)\ \rightleftharpoons\ 2\ NO_2(g)} $ (wie Schritt 2)

Siehe auch

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

  1. Patent GB190200698: Improvements in the Manufacture of Nitric Acid and Nitrogen Oxides. Angemeldet am 9. Januar 1902, veröffentlicht am 20. März 1902, Erfinder: Wilhelm Ostwald.
  2. Patent FR11331: Veröffentlicht am 22. Dezember 1838, Erfinder: Frédéric Kuhlmann (espacenet erfasst z. Z. nur franz. Patente ab 1900).
  3.  J. Graham Smith: Fréderic Kuhlmann, pioneer of platinum as an industrial catalyst. In: Platinum Metals Review. 32, 1988, S. 84–90 (PDF).