Ostwald-metoden

Et laboratorieoppsett av Ostwald-prosessen

Den Ostwald-prosessen anvendes for storskala produksjon av salpetersyre ved oksydasjon av ammoniakk , som fortrinnsvis er oppnådd ved hjelp av Haber-Bosch-prosessen .

historie

Det går tilbake til den tysk-baltiske kjemikeren Wilhelm Ostwald , som mottok patentet for prosessen i 1902 . Den grunnleggende kjemiske reaksjonen av ammoniakk med luft ved platinakontakten ble patentert av Frédéric Kuhlmann allerede i 1838 .

Prosess beskrivelse

Prosessen består av tre deltrinn. Et utgangsmateriale er ammoniakkgass produsert ved hjelp av Haber-Bosch-prosessen. Andre utgangsmaterialer er oksygen og vann.

Heterogen katalysert forbrenning av ammoniakkgass

I det første trinnet og ammoniakk (NH ₃ ) med oksygen (O ₂ blandet) og i nærvær av en platina - rhodium - katalysator ved 800 ° C til 900 ° C i vann (H ₂ O) og nitrogenmonoksid (NO) er reagerte (på nyere systemer brukes et spesielt gjenopprettingsnettverk for å gjenopprette den dyre platinaen). Gassblandingen berører kanskje bare katalysatoren i veldig kort tid - bare omtrent en tusendels sekund - siden ellers brytes nitrogenmonoksidet, som er ustabilt ved reaksjonstemperaturen, ned i elementene N ₂ og O ₂ .

${\ displaystyle \ mathrm {4 \ NH_ {3} (g) \ + \ 5 \ O_ {2} (g) \ {\ xrightarrow [{Pt / Pt-Rh}] {800-900 \ ^ {\ circ} C}}}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {4 \ NO (g) \ + \ 6 \ H_ {2} O (g) \ \ \ Delta} H ^ {0} = - 906 {,} 11 ~ {\ rm {kJ / mol }}}$

En uønsket sidereaksjon som også finner sted uten katalysator er oksidasjon av ammoniakk til elementært nitrogen med dannelse av vann:

${\ displaystyle \ mathrm {4 \ NH_ {3} (g) \ + \ 3 \ O_ {2} (g) \ \ longrightarrow \ 2 \ N_ {2} (g) \ + \ 6 \ H_ {2} O (g)}}$

En annen uønsket bivirkning er dannelsen av lystgass:

${\ displaystyle \ mathrm {4 \ NH_ {3} (g) \ + \ 4 \ O_ {2} (g) \ \ longrightarrow \ 2 \ N_ {2} O (g) \ + \ 6 \ H_ {2} O (g)}}$

I følge Le Chatelier-prinsippet undertrykkes sidreaksjonene av høyest mulig nettverkstemperatur og lavt trykk.

Generering av nitrogendioksid

I trinn 2 senkes temperaturen på nitrogenmonoksyd (NO) til under 50 ° C og den blandes med luft. En annen oksidasjon med oksygen (O ₂ ) til nitrogendioksid (NO ₂ ) finner sted, som deretter dimeriseres til lystgass :

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ NO (g) \ + \ O_ {2} (g) \ \ rightleftharpoons \ 2 \ NO_ {2} (g) \ \ \ Delta} H ^ {0} = - 114 {, } 22 ~ {\ rm {kJ / mol}}}$

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ NO_ {2} (g) \ \ rightleftharpoons \ N_ {2} O_ {4} (g) \ \ \ Delta} H ^ {0} = - 57 {,} 23 ~ {\ rm {kJ / mol}}}$

Reaksjon i oksidasjons- og absorpsjonskolonnen

I det tredje trinnet blir nitrogenoksidene omdannet til salpetersyre (HNO ₃ ) i dryppetårn med vann :

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ N_ {2} O_ {4} (g) \ + \ O_ {2} (g) \ + \ 2 \ H_ {2} O (l) \ \ longrightarrow \ 4 \ HNO_ { 3} (aq)}}$

Nitrogenmonoksid (NO) og salpetersyre (HNO ₂ ) dannes som mellomprodukter , fordi reaksjonen skjer via følgende mellomtrinn:

${\ displaystyle \ mathrm {N_ {2} O_ {4} (g) \ + \ H_ {2} O (l) \ \ longrightarrow \ HNO_ {3} (aq) \ + \ HNO_ {2} (aq)} }$

${\ displaystyle \ mathrm {3 \ HNO_ {2} (aq) \ \ longrightarrow \ HNO_ {3} (aq) \ + \ 2 \ NO (g) \ uparrow + \ H_ {2} O (l)}}$

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ NO (g) \ + \ O_ {2} (g) \ \ rightleftharpoons \ 2 \ NO_ {2} (g)}}$ (som trinn 2)

Produkter

De ca. 60 prosent salpetersyre oppnådd med Ostwald-prosessen kan bare konsentreres til 68,5 prosent, da denne blandingen da er en azeotrop med et maksimalt kokepunkt på 122 ° C. En høyere konsentrasjon kan oppnås i en motstrømsdehydrering med tørkemidler som fosforpentoksyd eller svovelsyre .

litteratur

• Frédéric Kuhlmann: Avhandling om dannelsen av saltpeter. Ny generasjon salpetersyre og ammoniakk . I: Annals of Pharmacy . teip 29 , nei. 1 , 1839, ISSN  0365-5490 , s. 272-279 , doi : 10.1002 / jlac.18390290305 . 
• Erwin Riedel : Uorganisk kjemi. 6. utgave. de Gruyter, Berlin 2004, ISBN 3-11-018168-1 .

Individuelle bevis

1. ↑ Patent GB190200698 : Forbedringer i produksjonen av salpetersyre og nitrogenoksider. Registrert 9. januar 1902 , publisert 20. mars 1902 , oppfinner: Wilhelm Ostwald. ‌
2. ↑ patent FR11331: Pour la fabrication de l'acide nitrique et des nitrates. Publisert 22. desember 1838 , oppfinner: Frédéric Kuhlmann. ‌
3. ^ J. Graham Smith: Frédéric Kuhlmann, pioner innen platina som en industriell katalysator . I: Platinum Metals Review . teip 32 , 1988, s. 84-90 ( platinummetalsreview.com [PDF]). 
4. ↑ Prof. Dr. Nils Wiberg: Lærebok for uorganisk kjemi . 102. utgave. de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1 , s. 730 . 
5. ^ Charles E. Mortimer: Kjemi . 10. reviderte utgave. Thieme, Stuttgart 2010, ISBN 978-3-13-484310-1 , s. 444 .