Co to jest proces Ostwald?
Proces Ostwald jest metodą stosowaną do przemysłowej produkcji kwasu azotowego, opatentowaną przez niemieckiego / łotewskiego chemika Willhelma Ostwalda w 1902 r. I po raz pierwszy wdrożoną w 1908 r. W tym procesie kwas azotowy jest syntetyzowany przez utlenianie amoniaku. Przed wprowadzeniem procesu Ostwald cały kwas azotowy był wytwarzany przez destylację saletry - azotanu sodu (NaNO 3 ) lub azotanu potasu (KNO 3 ) - za pomocą stężonego kwasu siarkowego. Proces Ostwald obejmuje obecnie całą przemysłową produkcję kwasu azotowego, substancji chemicznej o kluczowym znaczeniu dla przemysłu nawozów i materiałów wybuchowych.
Pierwszą syntezę kwasu azotowego - poprzez podgrzanie mieszaniny saletry, siarczanu miedzi i ałunu - przypisuje się generalnie arabskiemu alchemikowi Jabirowi ibnowi Hayyanowi Geberowi w VIII wieku, ale nie ma co do tego pewności. W połowie XVII wieku niemiecki chemik Johann Rudolf Glauber wytwarzał kwas przez destylację saletry z kwasem siarkowym. Kwas azotowy był przedmiotem zainteresowania głównie ze względu na jego zdolność do rozpuszczania większości metali aż do odkrycia w 1847 r. Nitrogliceryny. Wkrótce po tym punkcie, wraz z otwarciem nowej gamy materiałów wybuchowych powstałych w wyniku nitrowania związków organicznych, kwas azotowy - i jego prekursor - saletra - były bardzo poszukiwane. Do początku XX wieku cała produkcja kwasu azotowego odbywała się z saletry.
W 1901 r. Willhelm Ostwald, niemiecki chemik urodzony na Łotwie, opracował metodę syntezy kwasu azotowego z utleniania amoniaku przez katalizę. Proces odbywa się w trzech etapach. Po pierwsze, mieszanina jednej części gazu amoniakowego (NH3) i 10 części powietrza jest wprowadzana do komory katalitycznej, gdzie w temperaturze od 700 do 800 ° C (1292-1472 ° F) i przy użyciu katalizatora platynowego amoniak łączy się z tlenem (O 2 ) do wytworzenia tlenku azotu (NO): 4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O. Po drugie, w komorze utleniania, w temperaturze 50 ° C (122 ° F), łączy się tlenek azotu z tlenem do wytworzenia dwutlenku azotu: 2NO + O 2 → 2NO 2 . Wreszcie w komorze absorpcyjnej dwutlenek azotu rozpuszcza się w wodzie, otrzymując kwas azotowy (HNO 3 ) i tlenek azotu, które następnie można poddać recyklingowi: 3NO 2 + H 2 O → 2 HNO 3 + NO.
Proces Ostwald wytwarza kwas azotowy w postaci wodnego roztworu o stężeniu około 60%. Przez destylację stężenie zwiększa się do 68,5%, co daje kwas azotowy klasy odczynnikowej, który jest używany do większości celów. Kwas ten jest azeotropem kwasu azotowego i wody, co oznacza, że oba związki gotują się w tej samej temperaturze - 251,6 ° F (122 ° C), więc nie można go dalej zagęszczać przez zwykłą destylację. Jeśli wymagane są wyższe stężenia, można je uzyskać przez destylację stężonym kwasem siarkowym - który absorbuje wodę - lub bezpośrednio przez połączenie dwutlenku azotu, wody i tlenu pod wysokim ciśnieniem.
Ten proces chemiczny zmniejszyłby zależność od zmniejszających się zapasów saletry, ale wymagał źródła amoniaku, które w tym czasie nie było łatwo dostępne w dużych ilościach. Problem amoniaku rozwiązano poprzez opracowanie procesu Habera, w którym związek ten zsyntetyzowano za pomocą azotu atmosferycznego i wodoru z gazu ziemnego. Proces Ostwald szybko stał się głównym sposobem produkcji kwasu azotowego.
Te dwa procesy przemysłowe między nimi umożliwiły tanią produkcję kwasu azotowego w ogromnych ilościach. To z kolei doprowadziło do zwiększenia wydajności rolnictwa, ponieważ nawozy azotanowe można było tanio wytwarzać w dużych ilościach. Przedłużyło to jednak I wojnę światową, ponieważ Niemcy - odcięte od większości zapasów saletry podczas wojny - były w stanie kontynuować produkcję materiałów wybuchowych w dużych ilościach.