Ostwaldverfahren, Gewinnung von Salpetersäure

Als nächstes Verfahren stellen wir Ihnen das Ostwaldverfahren vor, welches zur Gewinnung von Salpetersäure aus Ammoniak dient.

Salpetersäure

Es wurde im Jahr 1902 von dem deutschen Chemiker Wilhelm Ostwald patentiert. Oft wird dieses Verfahren dem Haber-Bosch-Verfahren nachgeschaltet, wenn es schon anfangs um die Gewinnung von Salpetersäure geht.  

Versuchsvideo: katalytische Oxidation von Ammoniak - Ostwaldverfahren

 In diesem Versuch soll die katalytische Oxidation von Ammoniak wie sie bei der Herstellung von Salpetersäure (Ostwaldverfahren) angewendet wird, gezeigt werden. Durch Erhitzen von 25 %iger Ammoniaklösung verdampft Ammoniak. In den Erlenmeyerkolben hängt ein Platindraht, der als Katalysator wirkt. Kommt der verdampfende Ammoniak zusammen mit Luftsauerstoff in Kontakt mit dem Platindraht, so findet an der Katalysatoroberfläche die exotherme Reaktion von Ammoniak und Sauerstoff statt. Es entsteht so viel Wärme, dass der Draht glüht.

Durch eine katalytische Oxidation von Ammoniak $ NH_3 $ wird in drei Verfahrensschritten Salpetersäure produziert. 

Verfahrensschritt 1:

Zu Beginn erzeugt man ein Ammoniak-Luft-Gemisch [$ NH_3 $ $ O_2 $] und erhitzt dieses auf eine Verfahrenstemperatur von ca. 800-900 °C. Unter Hinzunahme eines Platin-Rhodium-Katalysators [$ Pt/Pt-Rh$] oxidiert das Gemisch zu Stickstoffmonoxid [$ NO $] und Wasser [$ H_2O $]. Die Kontaktzeit zwischen Katalysator und Gasgemisch darf nur ca. 0,001 sec betragen, da ansonsten das Stickstoffmonoxid wieder zerfällt. Den gesamten Vorgang bezeichnet man als heterogene Verbrennung von Ammoniakgas.

In der nächsten Abbildung sehen Sie die zugehörige Reaktionsgleichung und die Reaktionsenthalpie $ \Delta H_R $

Heterogene Verbrennung von Ammoniakgas

Unerwünschte Nebenreaktionen

Bedauerlicherweise treten bereits im Verfahrensschritt 1 unerwünschte Nebenreaktionen auf. Eine dieser Nebenreaktionen ist die Oxidation von Ammoniak zu elementarem Stickstoff $ N_2 $ unter Bildung von Wasser $ H_2O $

Eine weitere unerwünschte Nebenreaktion ist die Bildung von Lachgas:

Verfahrensschritt 2:

Nach Abschluss des ersten Verfahrensschritts wird das Stickstoffmonoxid $ NO $ in einem zweiten Reaktor mit Sauerstoff $ O_2 $ in Reaktions gebracht und dabei zu Stickstoffdioxid $ NO_2 $ oxidiert. Die Verfahrenstemperatur wird dabei auf $ T < 50 °C $ abgesenkt. Infolge der Temperaturabsenkung dimerisiert [Dimerisation = Sonderform der Polymerisation] Stickstoffdioxid $ NO_2 $ zu Distickstofftetraoxid $ N_2O_4 $. 

Diese Vorgänge als chemische Reaktionsgleichungen inkl. Reaktionsenthalpien sehen Sie nachfolgend:

Verfahrensschritt 3:

Im letzten Verfahrensschritt werden Stickstoffdioxide mit Wasser in einer Oxidations- und Adsorptionskolonne [= Rieseltürme] zu Salpetersäure umgesetzt. 

Nachfolgend sehen Sie die zugehörige Reaktionsgleichung [= Nettogleichung, Zwischenreaktionen nicht berücksichtigt]:

Zwischenprodukte

Wie es in Kolonnen häufig der Fall ist entstehen auch Zwischenprodukte. Hierzu gehören:

• Stickstoffmonoxid $ NO $
• Salpetrige Säure $ HNO_2 $ 

Auch die Zwischenschritte/-reaktionen haben wir Ihnen nachfolgend aufgelistet: