Ostwald-Verfahren

Im ersten Schritt wird Ammoniak (NH₃) mit Sauerstoff (O₂) gemischt und in Gegenwart eines Platin-Rhodium-Katalysators bei 800 °C bis 900 °C zu Wasser (H₂O) und Stickstoffmonoxid (NO) umgesetzt (Bei neueren Anlagen wird ein spezielles Rückgewinnungsnetz eingesetzt, um das teure Platin zurückzugewinnen). Das Gasgemisch darf den Katalysator nur ganz kurz – nur etwa eine tausendstel Sekunde – berühren, da ansonsten das bei der Reaktionstemperatur instabile Stickstoffmonoxid in die Elemente N₂ und O₂ zerfällt.[4]

${\displaystyle \mathrm {4\ NH_{3}(g)\ +\ 5\ O_{2}(g)\ {\xrightarrow[{Pt/Pt-Rh}]{800-900\ ^{\circ }C}}} }$ ${\displaystyle \mathrm {4\ NO(g)\ +\ 6\ H_{2}O(g)\ \ \Delta } H^{0}=-906{,}11~{\rm {kJ/mol}}}$

Da diese Reaktion exotherm ist, führt eine Temperaturerhöhung zur Verschiebung des Gleichgewichts nach links Richtung Edukte. Ebenso wird nach dem Prinzip von Le Chatelier das Gleichgewicht nach links verschoben, wenn das Wasser aufgrund der Temperaturerhöhung gasförmig wird, da dann 9 Mol Gas links 10 Mol Gas rechts gegenüberstehen.

Der Grund für die Temperaturerhöhung auf 800–900 °C liegt an den Nebenreaktionen, die in dem Fall noch stärker exotherm sind:

Eine unerwünschte Nebenreaktion, die auch ohne Katalysator abläuft, ist die Oxidation des Ammoniaks zu elementarem Stickstoff unter Bildung von Wasser:

${\displaystyle \mathrm {4\ NH_{3}(g)\ +\ 3\ O_{2}(g)\ \longrightarrow \ 2\ N_{2}(g)\ +\ 6\ H_{2}O(g)} ~~\Delta H^{0}=-1268~\mathrm {kJ/mol} }$

Eine weitere unerwünschte Nebenreaktion ist die Bildung von Lachgas:

${\displaystyle \mathrm {2\ NH_{3}(g)\ +\ 2\ O_{2}(g)\ \longrightarrow \ \ N_{2}O(g)\ +\ 3\ H_{2}O(g)} ~~\Delta H^{0}=-1105~\mathrm {kJ/mol} }$

Die Nebenreaktionen werden durch eine möglichst hohe Netztemperatur und niedrigen Druck zurückgedrängt.

In Schritt 2 senkt man die Temperatur des Stickstoffmonoxids (NO) auf unter 50 °C und mischt es mit Luft. Es läuft eine weitere Oxidation mit Sauerstoff (O₂) zu Stickstoffdioxid (NO₂) ab, welches anschließend zu Distickstofftetraoxid dimerisiert:

${\displaystyle \mathrm {2\ NO(g)\ +\ O_{2}(g)\ \rightleftharpoons \ 2\ NO_{2}(g)\ \ \Delta } H^{0}=-114{,}22~{\rm {kJ/mol}}}$

${\displaystyle \mathrm {2\ NO_{2}(g)\ \rightleftharpoons \ N_{2}O_{4}(g)\ \ \Delta } H^{0}=-57{,}23~{\rm {kJ/mol}}}$

Die Stickoxide werden im dritten Schritt in Rieseltürmen mit Wasser zu Salpetersäure (HNO₃) umgesetzt:

${\displaystyle \mathrm {2\ N_{2}O_{4}(g)\ +\ O_{2}(g)\ +\ 2\ H_{2}O(l)\ \longrightarrow \ 4\ HNO_{3}(aq)} }$

Als Zwischenprodukte entstehen hierbei Stickstoffmonoxid (NO) und die Salpetrige Säure (HNO₂), denn die Reaktion verläuft über folgende Zwischenschritte:

${\displaystyle \mathrm {N_{2}O_{4}(g)\ +\ H_{2}O(l)\ \longrightarrow \ HNO_{3}(aq)\ +\ HNO_{2}(aq)} }$

${\displaystyle \mathrm {3\ HNO_{2}(aq)\ \longrightarrow \ HNO_{3}(aq)\ +\ 2\ NO(g)\uparrow +\ H_{2}O(l)} }$

${\displaystyle \mathrm {2\ NO(g)\ +\ O_{2}(g)\ \rightleftharpoons \ 2\ NO_{2}(g)} }$ (wie Schritt 2)