EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

KM-6: Übertragung – Umgang mit Materie 125 125 Salpetersäure – Herstellung – Verwendung Das Ostwaldverfahren Heute wird Salpetersäure praktisch ausschließlich nach dem Ostwald-Verfahren aus Ammoniak hergestellt (Reaktionsgleichungen Abb. 125–1). Der Abbau von Chilesalpeter hat heute nur mehr minimale Bedeutung. Der erste Produktionsschritt Ammoniak verbrennt normalerweise zu Stickstoff und Wasserdampf. Über den Katalysator, eine Pt/Rh Legierung, entsteht NO und Wasserdampf. Die Kontakt- zeit mit dem Katalysator darf dabei nur weniger als 1/1000 sec. betragen, da sonst derselbe Katalysator das NO wieder in die Elemente zerfallen lässt. In der Praxis wird das Gemisch aus Ammoniak und überschüssiger Luft mit großer Ge- schwindigkeit durch ein Pt/Rh Katalysatornetz geblasen, das durch den exother- men Prozess hell aufglüht. Die Wärme wird durch die rasch strömende Gasmenge abgeführt. Dabei werden kleine Partikel des Katalysators abgelöst und mitge- rissen. Dies stellt einen bedeutenden Kostenfaktor dar, obwohl Methoden zur Rückgewinnung der Platinmetalle entwickelt wurden Der zweite Produktionsschritt Der zweite Reaktionsschritt erfolgt beim Abkühlen des NO/Luft-Gemisches von selbst, da die Aktivierungsenthalpie für den Prozess gering ist und das Gleichgewicht für die NO 2 -Gewinnung stark bei den Produkten liegt. Der dritte Produktionsschritt Im dritten Schritt muss NO 2 mit Wasser reagieren. Dabei entsteht zwischenzeit- lich wieder NO, welches erneut zu NO 2 oxidiert werden muss. Der Prozess wird in einem zweistufigen Verfahren durchgeführt. Im ersten Schritt strömt das NO 2 /Luft-Gemisch im Absorptionsturm durch herabrieselnde verdünnte Salpeter- säure, welche dabei konzerntriert wird. Im zweiten Schritt strömt das Restgas, in dem das entstehende NO wieder im Luftüberschuss zu NO 2 oxidiert wurde, im zweiten Absorptionsturm durch herabrieselndes Wasser, welches den Großteil des NO 2 aufnimmt und dabei zu verdünnter Salpetersäure wird. Diese wird in Turm 1 eingesetzt. Je höher der Druck im System, desto vollständiger gelingt die Absorption, desto höher sind aber auch die Katalysatorverluste im ersten Reak- tionsschritt. Restliches Stickstoffoxid hat man früher als Abgas in die Luft entlassen, was zu starken Luftbelastungen geführt hat. Heute wird durch höhere Drucke und durch Abgasreinigung des Restgases mit Natriumcarbonatlösung die Stickoxidemission minimiert. Verwendung der Salpetersäure Etwa 1/3 der Ammoniakweltproduktion wird zur Salpetersäureherstellung ver- wendet. Die Salpetersäure wird zum größten Teil zu Nitraten für die Düngemit- telherstellung weiterverarbeitet (hauptsächlich Ammoniumnitrat durch Reaktion mit Ammoniak). Sie kann auch, ähnlich wie Schwefelsäure, zum Aufschließen von Phosphat verwendet werden. (Siehe Exkurs Düngemittel S. 56). Für die Herstellung von Sprengstoffen ist Salpetersäure der wichtigste Aus- gangsstoff. Das früher verwendete Schwarzpulver hat heute nur mehr in der Feuerwerkstechnik Bedeutung. Als Sprengstoffe dienen heute die Reaktionspro- dukte von Salpetersäure mit Glycerol oder aromatischen Kohlenwasserstoffen („Nitroglycerin“, TNT). Als Schießpulver verwendet man das Reaktionsprodukt von Salpetersäure mit Cellulose, die Schießbaumwolle, mit einer Reihe von Zusatz- stoffen (rauchschwache Schießpulver). Bei der Synthese all dieser Stoffe wird eine Mischung von Salpetersäure mit Schwefelsäure eingesetzt, die man Nitrier- säure nennt. Die Reaktionsprodukte der Salpetersäure mit organischen Verbindungen (Salpe- tersäureester, Nitroverbindungen) dienen auch als Ausgangsstoffe für die Her- stellung von Lacken (Nitrolacke) und Farbstoffen. 4 NH 3 + 5 O 2 4 NO + 6 H 2 O ∆ H = –904,8 kJ Ammoniakverbrennung 2 NO + O 2 2 NO 2 ∆ H = –113,2 kJ Oxidation von NO 2 NO 2 + H 2 O NO + 2 HNO 3 NO + 0,5 O 2 NO 2 Salpetersäure aus NO 2 Abb. 125–1: Die Reaktionen der Salpetersäure- Erzeugung Düngemittel Sprengstoffe Nitrolacke Metallbearbeitung HNO 3 Abb. 125–3: Produkte ausgehend von Salpeter- säure Abb. 125–2: Schema des Ostwald-Verfahrens Luft Wasser Dampf Kühl- wasser Abgas Kühlwasser Wasser Mischer Pt-Netz Reaktor Kühlung Verdichter Tank Oxidations- und Absorptions- kolonne verdünnte nicht umgesetztes Verdichter NO/NO 2 HNO 3 Luft/ O 2 NH 3 HNO 3 Kühlung Kühlung HNO 3 NO/NO 2 NO/NO 2 NO Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv