Was ist der Ostwald-Prozess?

Das Ostwald-Verfahren ist ein Verfahren zur industriellen Herstellung von Salpetersäure, das 1902 vom deutsch-lettischen Chemiker Willhelm Ostwald patentiert und erstmals 1908 umgesetzt wurde. Bei diesem Verfahren wird Salpetersäure durch Oxidation von Ammoniak synthetisiert. Vor der Einführung des Ostwald-Verfahrens wurde die gesamte Salpetersäure durch Destillation von Salpeter – Natriumnitrat (NaNO3) oder Kaliumnitrat (KNO3) – mit konzentrierter Schwefelsäure hergestellt. Das Ostwald-Verfahren ist heute für die gesamte industrielle Produktion von Salpetersäure verantwortlich, einer wichtigen Chemikalie für die Düngemittel- und Sprengstoffindustrie.

Die erste Synthese von Salpetersäure durch Erhitzen einer Mischung aus Salpeter, Kupfersulfat und Alaun wird im Allgemeinen dem arabischen Alchemisten Jabir ibn Hayyan Geber irgendwann im 8. Jahrhundert zugeschrieben, es besteht jedoch eine gewisse Unsicherheit darüber. Mitte des 17. Jahrhunderts stellte der deutsche Chemiker Johann Rudolf Glauber die Säure durch Destillation von Salpeter mit Schwefelsäure her. Salpetersäure war vor allem wegen ihrer Fähigkeit, die meisten Metalle aufzulösen, von Interesse, bis 88 Nitroglycerin entdeckt wurde. Kurz darauf, mit der Einführung einer neuen Reihe von Sprengstoffen, die durch Nitrierung organischer Verbindungen hergestellt werden, war Salpetersäure – und ihr Vorläufer Salpeter – sehr gefragt. Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts erfolgte die gesamte Salpetersäureproduktion aus Salpeter.

Im Jahr 1901 entwickelte Willhelm Ostwald, ein in Lettland geborener deutscher Chemiker, eine Methode zur Synthese von Salpetersäure durch katalytische Oxidation von Ammoniak. Der Prozess erfolgt in drei Schritten. Zunächst wird eine Mischung aus einem Teil Ammoniakgas (NH3) und 10 Teilen Luft der Katalysekammer zugeführt, wo sich Ammoniak bei einer Temperatur von 700 bis 800 °C (1292 bis 1472 °F) und unter Verwendung eines Platinkatalysators mit Sauerstoff verbindet (O2) zur Bildung von Stickoxid (NO): 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O. Zweitens verbindet sich in der Oxidationskammer bei einer Temperatur von 122 °F (50 °C) Stickoxid mit Sauerstoff zu Stickstoffdioxid: 2NO + O2 → 2NO2. Schließlich löst sich Stickstoffdioxid in der Absorptionskammer in Wasser auf und ergibt Salpetersäure (HNO3) und Stickoxid, die dann recycelt werden können: 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO.

Beim Ostwald-Verfahren entsteht Salpetersäure als wässrige Lösung mit einer Konzentration von etwa 60 %. Durch Destillation wird die Konzentration auf 68,5 % erhöht, wodurch die für die meisten Zwecke verwendete Salpetersäure in Reagenzqualität entsteht. Diese Säure ist ein Azeotrop aus Salpetersäure und Wasser, was bedeutet, dass die beiden Verbindungen bei der gleichen Temperatur sieden: 122 °C (251,6 °F) und daher nicht durch einfache Destillation weiter konzentriert werden können. Sind höhere Konzentrationen erforderlich, können diese durch Destillation mit konzentrierter Schwefelsäure – die Wasser absorbiert – oder direkt durch Kombination von Stickstoffdioxid, Wasser und Sauerstoff unter hohem Druck gewonnen werden.

Dieser chemische Prozess würde die Abhängigkeit von den schwindenden Salpeterreserven verringern, erforderte jedoch eine Ammoniakquelle, die zu dieser Zeit nicht in großen Mengen verfügbar war. Das Ammoniakproblem wurde durch die Entwicklung des Haber-Verfahrens gelöst, bei dem diese Verbindung unter Verwendung von Luftstickstoff und Wasserstoff aus Erdgas synthetisiert wurde. Das Ostwald-Verfahren wurde schnell zum primären Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure.

Diese beiden industriellen Prozesse ermöglichten die kostengünstige Produktion von Salpetersäure in großen Mengen. Dies wiederum führte zu einer Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität, da stickstoffhaltige Düngemittel in großen Mengen kostengünstig hergestellt werden konnten. Es verlängerte jedoch auch den Ersten Weltkrieg, da Deutschland ohne den Großteil seiner während des Krieges vorhandenen Salpetervorräte weiterhin in der Lage war, Sprengstoffe in großen Mengen zu produzieren.

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