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Ostwald-Verfahren

Verfahrung zur großtechnischen Herstellung von Salpetersäure
(Weitergeleitet von Ostwaldverfahren)
Ein Laboraufbau des Ostwald-Verfahrens

Das Ostwald-Verfahren dient der großtechnischen Herstellung von Salpetersäure durch Oxidation von Ammoniak, welches vorzugsweise durch das Haber-Bosch-Verfahren gewonnen wird.

GeschichteBearbeiten

Es geht auf den deutsch-baltischen Chemiker Wilhelm Ostwald zurück, der 1902 das Patent auf das Verfahren erhielt.[1] Die grundlegende chemische Reaktion von Ammoniak mit Luft am Platinkontakt wurde jedoch bereits 1838 von Frédéric Kuhlmann patentiert.[2][3]

VerfahrensbeschreibungBearbeiten

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

Heterogen katalysierte Verbrennung von AmmoniakgasBearbeiten

Im ersten Schritt wird Ammoniak (NH3) mit Sauerstoff (O2) gemischt und in Gegenwart eines Platin-Rhodium-Katalysators bei 800 °C 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 bei der Reaktionstemperatur instabile Stickstoffmonoxid in die Elemente N2 und O2 zerfällt.[4]

   

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

 

Eine weitere unerwünschte Nebenreaktion ist die Bildung von Lachgas:

 

Die Nebenreaktionen werden nach dem Prinzip von Le Chatelier durch eine möglichst hohe Netztemperatur und niedrigen Druck zurückgedrängt.

Erzeugung von StickstoffdioxidBearbeiten

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:

 
 

Reaktion in der Oxidations- und AbsorptionskolonneBearbeiten

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

 

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

 
 
  (wie Schritt 2)

ProdukteBearbeiten

Die mit dem Ostwald-Verfahren gewonnene ca. 60-prozentige Salpetersäure kann nur auf 68,5 Prozent konzentriert werden, da diese Zusammensetzung dann ein Azeotrop mit einem Siedepunktmaximum von 122 °C ist. Eine höhere Konzentrierung kann in einer Gegenstromdehydratisierung mit Trocknungsmitteln wie Phosphorpentoxid oder Schwefelsäure erreicht werden.[5]

LiteraturBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  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: Pour la fabrication de l’acide nitrique et des nitrates. Veröffentlicht am 22. Dezember 1838, Erfinder: Frédéric Kuhlmann.
  3. J. Graham Smith: Frédéric Kuhlmann, pioneer of platinum as an industrial catalyst. In: Platinum Metals Review. Band 32, 1988, S. 84–90 (PDF-Datei).
  4. Prof. Dr. Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 730.
  5. Charles E. Mortimer: Chemie. 10. überarbeitete Auflage. Thieme, Stuttgart 2010, ISBN 978-3-13-484310-1, S. 444.