Anorganische Chemie

Ostwald Verfahren

Warum ist das Ostwald Verfahren so wichtig? Neben der Erklärung des Ostwald Verfahrens, zeigen wir dir auch, weshalb es für uns unabdingbar ist. Darüber hinaus betrachten wir die einzelnen Prozessschritte des Verfahrens genauer, wie genau aus Ammoniak dann Salpetersäure hergestellt wird.

Falls du das ganze lieber kompakt zusammengefasst in Video-Form anschauen möchtest, dann empfehlen wir dir unser Video  dazu!

Inhaltsübersicht

Ostwald Verfahren einfach erklärt

Das Ostwald Verfahren (auch oft gesucht als: Ostwaldverfahren) ist ein weiterer Schritt in der Verarbeitung des Ammoniaks (NH_3).

Merke
Dabei geht es darum, großtechnisch das Ammoniak zu Salpetersäure (HNO_3) weiter zu oxidieren, wobei man Platin als Katalysator benutzt.

Dieses kannst du dann weiter verwenden zur Produktion weiterer wichtiger Chemikalien, wie Ammoniumnitrat (NH_4NO_3).

Ostwald Verfahren Geschichte

Das Verfahren ist noch nicht besonders alt und geht zurück auf den Anfang des 20 Jh. . Damals war die Herstellung von effektivem Dünger für die Landwirtschaft noch sehr teuer, da der Grundstoff Chilesalpeter war. Diesen hatte man damals noch mit Schiffen aus Südamerika nach Europa importieren müssen, um ihn dort weiter zu verarbeiten. Dieses Bedürfnis nach billigem Dünger befeuerte die Entwicklung von Prozessen, die als Ziel hatten, das wertvolle Ammoniumnitrat herzustellen. Das Ostwald Verfahren, benannt nach seinem Erfinder Wilhelm Ostwald, stellt dir dabei nur das Zwischenprodukt Salpetersäure (HNO_3) zur Verfügung. Die Ausgangschemikalie Ammoniak (NH_3) beziehst du hier aus dem Haber Bosch Verfahren . Wenn du mehr zum Haber Bosch Verfahren wissen möchtest, dann klicke doch hier.

Ostwald Verfahren Prozess-Schritte

Die Herstellung der Salpetersäure schaut man sich am besten unterteilt in einzelne Schritte an. Diese sind die Oxidation des NH_3 zu NO, dann die weitere Oxidation zu NO_2 und dann in einem letzten Schritt die Umsetzung zu Salpetersäure HNO_3.

Ostwald Verfahren: Umsetzung von Ammoniak zu NO

Den ersten Schritt des Ostwald Verfahrens stellt dabei die Umsetzung des Ammoniaks aus dem Haber Bosch Verfahren dar. Dabei reagiert das Ammoniak mit dem Sauerstoff in einer Oxidation zu Stickstoffmonooxid (NO):

-III                            +II

4NH_3 + 5O_2 \longrightarrow 4NO + 6H_2O

\Delta H=-906,11kJ/mol

Die Reaktionstemperatur ist hierbei zwischen 800-900°C. Der Grund hierfür liegt darin, dass NO nicht das stabilste Produkt bei der Umsetzung von Ammoniak mit Sauerstoff ist. Es können weiterhin auch noch folgende Nebenreaktionen auftreten:

1. Oxidation zu elementarem Stickstoff:

-III                              0

4NH_3 + 3O_2 \longrightarrow 2N_2 + 6H_2O

2. Bildung von Lachgas (N_2O):

-III                             +I

4NH_3 + 4O_2 \longrightarrow 2N_2O + 6H_2O

Beide Reaktionen sind deutlich exothermer als die gewünschte Reaktion zu Stickstoffmonooxid, daher können die Nebenreaktionen nach dem Prinzip von Le Chatelier durch eine Erhöhung der Reaktionstemperatur deutlich stärker zurückgedrängt werden als die Reaktion zu NO.

Des Weiteren wird in der Reaktion ein Platin-Rhodium Katalysator verwendet, der  die Reaktion zu Stickstoffmonoxid begünstigt. Allerdings wird das Gasgemisch aus NH_3 und O_2 möglichst schnell über den netzförmigen Katalysator geleitet, sonst würde das instabile NO in einem nächsten Schritt zu elementarem Stickstoff weiter zerfallen.

Auch wird diesem Reaktor der Sauerstoff in einem überstöchiometrischem Verhältnis zugeführt, um die Entflammbarkeit des Ammoniaks und damit die Wärmeentwicklung durch die exotherme Reaktion unter Kontrolle zu halten. Des Weiteren hat man so auch schon den nötigen Sauerstoff für den nächsten Reaktionsschritt des Ostwaldverfahrens bereit gestellt.

Ostwald Verfahren: Weitere Oxidation von NO zu Stickstoffdioxid 

In einem nächsten Schritt im Ostwaldverfahren wird das NO-Gas durch Wärmetauscher gekühlt auf eine Temperatur von 50°C. Bei dieser Temperatur reagiert dann das Stickstoffmonoxid in einer weiteren Oxidation zu Stickstoffdioxid:

+II                     +IV

NO + O_2 \longrightarrow NO_2 + H_2O

\Delta H = -114,22kJ/mol

Wegen dieser Reaktion erfolgt auch die vorherige Abkühlung, da NO_2 schon bei einer Temperatur von 150°C wieder komplett in O_2 und NO zerfällt. Das neu gewonnene Stickstoffdioxid steht in ständigem chemischem Gleichgewicht mit seinem Dimer, dem Distickstofftetraoxid N_2O_4:

2NO_2 \leftrightarrow N_2O_4

\Delta H= -57,23 kJ/mol

Ostwald Verfahren: Oxidation zu Salpetersäure

Beide Bestandteile, das NO_2 und das N_2O_4, fließen im nächsten Schritt des Ostwald Verfahren in eine Absorptionskolonne. Dort rieselt von oben fein verteilt Wasser hinunter und tritt in innigen Kontakt mit den beiden Gasen, die von unten einströmen.

Absorptionskolonne, Ostwald Verfahren, Salpetersäure
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Absorptionskolonne

Das Wasser absorbiert bzw. löst beide Gase und reagiert dann mit dem Distickstofftetraoxid in einer Disproportionierungsreaktion folgendermaßen:

+IV                                         +III                   +V

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

Dabei entsteht zum Teil schon die im Ostwaldverfahren gewünschte Salpetersäure (HNO_3), aber auch salpetrige Säure (HNO_2). Diese zerfällt aber unter erhöhter Temperatur weiter zu:

+III                             +V                  +II

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

Auch das Stickstoffdioxid reagiert mit Wasser zu Salpetersäure:

2NO_2 + 1H_2O \longrightarrow HNO_3 + HNO_2

Salpetersäure und Salpetrige Säure sind dabei konstant im zugeführten Wasser gelöst und können so von dem wieder entstehenden NO-Gas, das beim Zerfall der Salpetrigen Säure entsteht, wieder getrennt werden. Das NO-Gas wird dann wieder dem vorherigen Reaktor des Ostwald Verfahrens als Edukt zugeführt, wo es wieder zu NO_2 oxidiert wird

Von oben fließt in die Rieselkolonne oftmals noch weiterer Sauerstoff, damit in geringerem Maße auch eine Gasphasenreaktion stattfinden kann, ohne dass sich vorher das Gasgemisch im Wasser lösen muss:

2N_2O_4 + O_2 + 2H_2O \longrightarrow 4HNO_3

Durch diese weitere Reaktion kannst du den Umsatz an Salpetersäure im gesamten Ostwaldverfahren noch steigern.

In einem letzten Schritt wird im Ostwald Verfahren die erhaltene Salpetersäure Lösung (ca. 50%) noch durch eine Destillationskolonne geleitet, um die Konzentration auf 65% zu erhöhen.

Produkte des Ostwald Verfahrens

Mit dem Produkt Salpetersäure aus dem Ostwald Verfahren kann man dann weitere wichtige Grundstoffe herstellen. Eine häufige Anwendung ist die Umsetzung der Salpetersäure mit Ammoniak zu Ammoniumnitrat (NO_3NH_4):

NH_3 +HNO_3 \longrightarrow NO_3NH_4

Dieses ist ein häufig verwendeter chemischer Grundstoff. Zum einen findet er Anwendung als Grundstoff für die Düngemittelindustrie. Zum anderen kann es aufgrund seiner sehr hohen Reaktionsgeschwindigkeit, wenn es zusammen mit Luft gezündet wird, auch als Sprengstoff verwendet werden. Dabei entstehen auch nur gasförmige Produkte, was seine Sprengkraft weiterhin erklärt:

NO_3NH_4 +O_2  \longrightarrow N_2 + O_2 + 4H_2O


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