Ostwaldverfahren Salpetersäure: Ablauf und Gleichungen

Das Ostwaldverfahren stellt Salpetersäure (HNO₃) aus Ammoniak (NH₃) und Sauerstoff her. Es ist benannt nach dem Chemiker Wilhelm Ostwald, der das Prinzip 1902 patentieren ließ und 1909 den Nobelpreis für seine Arbeiten zur Katalyse erhielt. Heute ist es der einzige große Weg zur Salpetersäure und wird weltweit in riesigen Anlagen betrieben.

Salpetersäure ist ein wichtiger Grundstoff der chemischen Industrie. Der größte Teil wird zu Düngemitteln verarbeitet, vor allem zu Ammoniumnitrat, das entsteht, wenn Salpetersäure mit Ammoniak reagiert. Außerdem braucht man sie für Kunststoffe, Farbstoffe und Sprengstoffe. Das Ostwaldverfahren schließt damit an das Haber-Bosch-Verfahren an, denn das benötigte Ammoniak stammt aus dessen Syntheseanlagen.

Das Besondere am Verfahren ist die Kombination aus Katalyse und Redoxreaktion. Der Stickstoff im Ammoniak hat die Oxidationszahl −3, in der Salpetersäure +5. Er wird also in mehreren Stufen von −3 bis +5 oxidiert, und Sauerstoff nimmt dabei die Elektronen auf. Jede Stufe hat ihre eigenen Bedingungen und ihren eigenen Zweck.

In der ersten Stufe wird Ammoniak mit Luft über ein feinmaschiges Netz aus einer Platin-Rhodium-Legierung geleitet. Dort verbrennt es bei etwa 850 °C zu Stickstoffmonooxid: 4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O. Die Reaktion ist stark exotherm. Die freiwerdende Wärme hält das Netz auf Temperatur, sodass keine zusätzliche Heizung nötig ist. Ohne Katalysator würde dagegen hauptsächlich elementarer Stickstoff entstehen.

In der zweiten Stufe kühlt das Gasgemisch ab. Beim Abkühlen reagiert Stickstoffmonooxid ohne Katalysator mit überschüssigem Sauerstoff zu rotbraunem Stickstoffdioxid: 2 NO + O₂ → 2 NO₂. Diese Reaktion liegt im Gleichgewicht, das bei tiefer Temperatur auf der Seite von NO₂ liegt.

In der dritten Stufe leitet man das Stickstoffdioxid in Wasser ein. Es disproportioniert dabei: 3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ + NO. Das entstehende NO wird wieder mit Sauerstoff zu NO₂ oxidiert und erneut absorbiert, bis fast alles verbraucht ist. So erhält man eine Salpetersäure mit etwa 60 % Massenanteil. Fasst man alle Stufen zusammen, ergibt sich die Gesamtgleichung NH₃ + 2 O₂ → HNO₃ + H₂O.

Wenn du das Ostwaldverfahren beschreiben sollst, gehst du am besten der Reihe nach vor. Zuerst nennst du die Rohstoffe, Ammoniak und Luft. Das Ammoniak wird verdampft, mit Luft gemischt und über das Netz geleitet. Dort läuft die katalytische Verbrennung ab. Die Katalysatoren erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit, sie lenken die Reaktion aber vor allem zum gewünschten Produkt NO und nicht zu N₂.

Im zweiten Schritt wird das heiße Gas in Wärmetauschern gekühlt. Man nutzt die Wärme zur Dampferzeugung, das spart Energie. Beim Abkühlen bildet sich NO₂. Im dritten Schritt strömt das Gas durch Absorptionstürme, in denen Wasser herunterrieselt. Dort entsteht die Salpetersäure. Die Abgase werden nachbehandelt, damit möglichst wenig Stickstoffoxide in die Luft gelangen.

Insgesamt erreicht man Ausbeuten von etwa 95 bis 98 %. Der Prozess läuft kontinuierlich, das bedeutet Rohstoffe werden ständig nachgeführt, Produkt wird ständig entnommen. Das ist wirtschaftlich effizient und vermeidet Anfahrverluste.

Ein häufiger Fehler besteht darin, das Ostwaldverfahren mit dem Haber-Bosch-Verfahren zu verwechseln. Haber-Bosch stellt Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff her, das Ostwaldverfahren verbraucht Ammoniak, um Salpetersäure zu erzeugen. Beide ergänzen sich, doch Rohstoff und Produkt sind vertauscht.

Ein zweiter Fehler betrifft die Katalysatoren. Beim Haber-Bosch-Verfahren dient Eisen, beim Ostwaldverfahren ein Platin-Rhodium-Netz. Verwechsle das nicht mit dem Vanadiumpentoxid der Schwefelsäureherstellung. Dritter Fehler: Es wird behauptet, die Salpetersäure entstehe direkt aus Ammoniak. Tatsächlich gibt es zwei Zwischenprodukte, NO und NO₂, die du in der Reihenfolge kennen solltest.

Schließlich vergessen viele, dass in Stufe 3 Stickstoffmonooxid entsteht und zurückgeführt wird. Schreibst du nur 3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ ohne das NO, ist die Gleichung nicht ausgeglichen. Kontrolliere deshalb immer, ob links und rechts gleich viele Atome jeder Sorte stehen.

Ohne das Ostwaldverfahren gäbe es keine modernen Stickstoffdünger in der heutigen Menge. Ammoniumnitrat und andere Nitratdünger sorgen dafür, dass Felder ausreichend mit Stickstoff versorgt sind, und tragen so wesentlich zur Ernährung der Weltbevölkerung bei. Auch der Rohstoff für viele Kunststoffe und Lacke geht auf Salpetersäure zurück.

Der Umgang mit den Stoffen erfordert Vorsicht. Salpetersäure ist stark ätzend und wirkt oxidierend. Stickstoffdioxid ist ein rotbraunes, giftiges Gas, das die Atemwege reizt. In der Technik werden die Abgase deshalb katalytisch gereinigt. Auch Lachgas, das als Nebenprodukt entstehen kann, ist ein starkes Treibhausgas und wird in modernen Anlagen weitgehend zersetzt. Im Schullabor führt man Versuche mit nitrosen Gasen nur im Abzug und mit Schutzbrille durch.