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Ostwaldverfahren, Gewinnung von Salpetersäure

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

Salpetersäure
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.  

Merke

Salpetersäure zählt zu den wichtigsten chemischen Erzeugnissen weltweit und kommt vornehmlich als Grundstoff in der Düngemittelherstellung, Herstellung von Farbmitteln und zur Sprenstoffherstellung zum Einsatz. 

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
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 $

Methode

Reaktionsgleichung elementarer Stickstoff: $ 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:

Methode

Reaktionsgleichung Lachgas: $ 4 NH_3 (g) + 4 O_2 (g) \longrightarrow 2 N_2O (g) + 6 H_2O (g) $

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:

Methode

$ 2 NO (g) + O_2 (g) \rightleftharpoons 2 NO_2 (g) \Delta H_R = -114,2 \frac{kJ}{mol} $

$ 2 NO_2 (g) \rightleftharpoons N_2O_4 (g) \Delta H_R = -57,2 \frac{kJ}{mol} $

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]:

Methode

$ 2 N_2O_4 (g) + O_2 (g) + H_2O \longrightarrow 4 HNO_3 (aq) $
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: 

Methode

$ N_2O_4 (g) + H_2O (l) \longrightarrow HNO_3 (aq) + HNO_2 (aq) $

$ 3 HNO_2 (aq) \longrightarrow HNO_3 (aq) + 2 NO (g) \uparrow + H_2O (l) $

$ 2 NO (g) + O_2 (g) \rightleftharpoons 2 NO_2 (g) $ 
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