Kaj je Ostwaldov proces?

Ostwaldov postopek je metoda, ki se uporablja za industrijsko proizvodnjo dušikove kisline, ki jo je patentiral nemški/latvijski kemik Willhelm Ostwald leta 1902 in prvič uveljavljen leta 1908. V tem procesu se dušikova kislina sintetizira z oksidacijo amoniaka. Pred uvedbo Ostwaldovega procesa je bila vsa dušikova kislina proizvedena z destilacijo salitre — natrijevega nitrata (NaNO3) ali kalijevega nitrata (KNO3) — s koncentrirano žveplovo kislino. Ostwaldov proces zdaj predstavlja celotno industrijsko proizvodnjo dušikove kisline, kemikalije, ki je ključnega pomena za industrijo gnojil in eksplozivov.

Prvo sintezo dušikove kisline – s segrevanjem mešanice salitre, bakrovega sulfata in galuna – na splošno pripisujejo arabskemu alkimistu Jabirju ibn Hayyanu Geberju nekje v 8. stoletju, vendar je glede tega nekaj negotovosti. Sredi 17. stoletja je nemški kemik Johann Rudolf Glauber pridobil kislino z destilacijo salitre z žveplovo kislino. Dušikova kislina je bila zanimiva predvsem zaradi svoje sposobnosti raztapljanja večine kovin do odkritja, leta 1847, nitroglicerina. Kmalu po tej točki, z odprtjem nove palete eksplozivov, izdelanih z nitriranjem organskih spojin, sta bila dušikova kislina – in njen predhodnik, salitra – zelo iskani. Do začetka 20. stoletja je bila vsa proizvodnja dušikove kisline iz salitre.

Leta 1901 je Willhelm Ostwald, nemški kemik, rojen v Latviji, razvil metodo za sintezo dušikove kisline iz oksidacije amoniaka s katalizo. Postopek poteka v treh korakih. Najprej se mešanica enega dela plina amoniaka (NH3) in 10 delov zraka dovaja v katalitično komoro, kjer se pri temperaturi od 1292 do 1472 °F (700 do 800 °C) in z uporabo platinskega katalizatorja amoniak združi z kisik (O2) za proizvodnjo dušikovega oksida (NO): 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O. Drugič, v oksidacijski komori se pri temperaturi 122 °F (50 °C) dušikov oksid združi s kisikom, da nastane dušikov dioksid: 2NO + O2 → 2NO2. Končno se v absorpcijski komori dušikov dioksid raztopi v vodi, pri čemer nastane dušikova kislina (HNO3) in dušikov oksid, ki se nato lahko reciklirata: 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO.

Ostwaldov postopek proizvaja dušikovo kislino kot vodno raztopino približno 60 % koncentracije. Z destilacijo se koncentracija poveča na 68.5 %, da dobimo reagentsko dušikovo kislino, ki se uporablja za večino namenov. Ta kislina je azeotrop dušikove kisline in vode, kar pomeni, da obe spojini vreta pri isti temperaturi – 251.6 °F (122 °C), zato je ni mogoče nadalje koncentrirati s preprosto destilacijo. Če so potrebne višje koncentracije, jih je mogoče dobiti z destilacijo s koncentrirano žveplovo kislino – ki absorbira vodo – ali neposredno s kombinacijo dušikovega dioksida, vode in kisika pri visokem tlaku.

Ta kemični postopek bi zmanjšal odvisnost od zmanjševanja zalog salitre, vendar je zahteval vir amoniaka, ki takrat ni bil na voljo v velikih količinah. Problem amoniaka je bil rešen z razvojem Haberjevega procesa, pri katerem je bila ta spojina sintetizirana z uporabo atmosferskega dušika in vodika iz zemeljskega plina. Ostwaldov proces se je hitro prevzel kot glavno sredstvo za proizvodnjo dušikove kisline.

Ta dva industrijska procesa med njima sta omogočala poceni proizvodnjo dušikove kisline v ogromnih količinah. To je posledično vodilo do povečane kmetijske produktivnosti, saj je bilo mogoče nitratna gnojila poceni proizvajati v razsutem stanju. Vendar pa je tudi podaljšalo prvo svetovno vojno, saj je Nemčija, ki je bila med vojno odrezana od večine zalog salitre, lahko še naprej proizvajala eksplozive v velikih količinah.