Wat is het Ostwald-proces?
Het Ostwald-proces is een methode die wordt gebruikt voor de industriële productie van salpeterzuur, gepatenteerd door de Duits / Letse chemicus Willhelm Ostwald in 1902 en voor het eerst geïmplementeerd in 1908. In dit proces wordt salpeterzuur gesynthetiseerd door de oxidatie van ammoniak. Vóór de introductie van het Ostwald-proces werd alle salpeterzuur geproduceerd door salpeter - natriumnitraat (NaNO 3 ) of kaliumnitraat (KNO 3 ) - te destilleren met geconcentreerd zwavelzuur. Het Ostwald-proces is nu verantwoordelijk voor alle industriële productie van salpeterzuur, een chemische stof die cruciaal is voor de kunstmest- en explosievenindustrie.
De eerste synthese van salpeterzuur - door een mengsel van salpeter, kopersulfaat en aluin te verwarmen - wordt over het algemeen ergens in de 8e eeuw toegeschreven aan de Arabische alchemist Jabir ibn Hayyan Geber, maar hierover bestaat enige onzekerheid. In het midden van de 17e eeuw produceerde de Duitse chemicus Johann Rudolf Glauber het zuur door salpeter te destilleren met zwavelzuur. Salpeterzuur was vooral interessant vanwege het vermogen om de meeste metalen op te lossen tot de ontdekking in 1847 van nitroglycerine. Kort na dit punt, met de opening van een nieuwe reeks explosieven gemaakt door de nitratie van organische verbindingen, waren salpeterzuur - en zijn voorloper, salpeter - veel gevraagd. Tot het begin van de 20e eeuw was alle salpeterzuurproductie afkomstig van salpeter.
In 1901 ontwikkelde Willhelm Ostwald, een Duitse chemicus geboren in Letland, een methode voor het synthetiseren van salpeterzuur uit de oxidatie van ammoniak door katalyse. Het proces verloopt in drie stappen. Ten eerste wordt een mengsel van één deel ammoniak (NH3) gas en 10 delen lucht in de katalytische kamer gevoerd waar, bij een temperatuur van 1292 tot 1472 ° F (700 tot 800 ° C) en met behulp van een platinakatalysator, de ammoniak combineert met zuurstof (O 2 ) om stikstofoxide (NO) te produceren: 4NH 3 + 5O2 → 4NO + 6H 2 O. Ten tweede, in de oxidatiekamer, bij een temperatuur van 122 ° F (50 ° C), wordt stikstofoxide gecombineerd met zuurstof om stikstofdioxide te produceren: 2NO + O 2 → 2NO 2 . Ten slotte wordt in de absorptiekamer het stikstofdioxide opgelost in water, waardoor salpeterzuur (HNO 3 ) en stikstofoxide ontstaat, dat vervolgens kan worden gerecycled: 3NO 2 + H20 → 2HNO 3 + NO.
Het Ostwald-proces produceert salpeterzuur als een waterige oplossing met een concentratie van ongeveer 60%. Door destillatie wordt de concentratie verhoogd tot 68,5%, waardoor salpeterzuur van reagenskwaliteit wordt verkregen dat voor de meeste doeleinden wordt gebruikt. Dit zuur is een azeotroop van salpeterzuur en water, wat betekent dat de twee verbindingen koken bij dezelfde temperatuur - 251,6 ° F (122 ° C), en dus kan het niet verder worden geconcentreerd door eenvoudige destillatie. Als hogere concentraties vereist zijn, kunnen deze worden verkregen door destillatie met geconcentreerd zwavelzuur - dat het water absorbeert - of rechtstreeks door de combinatie van stikstofdioxide, water en zuurstof bij hoge druk.
Dit chemische proces zou de afhankelijkheid van afnemende reserves van salpeter verminderen, maar vereiste een ammoniakbron, die op dat moment niet gemakkelijk in grote hoeveelheden beschikbaar was. Het ammoniakprobleem werd opgelost door de ontwikkeling van het Haber-proces, waarbij deze verbinding werd gesynthetiseerd met behulp van stikstof uit de atmosfeer en waterstof uit aardgas. Het Ostwald-proces nam snel het belangrijkste middel voor de productie van salpeterzuur over.
Deze twee industriële processen samen maakten de goedkope productie van salpeterzuur in grote hoeveelheden mogelijk. Dit leidde op zijn beurt tot een verhoogde productiviteit van de landbouw, omdat nitraatmeststoffen goedkoop in bulkhoeveelheden konden worden geproduceerd. Het verlengde echter ook de Eerste Wereldoorlog, omdat Duitsland - afgesneden van de meeste salpetervoorraden tijdens de oorlog - in staat was grote hoeveelheden explosieven te blijven produceren.