Was ist Salpetersäure?
Salpetersäure ist eine der gebräuchlichsten starken Säuren, die durch die chemische Formel HNO3 dargestellt wird.
Salpetersäure ist eine schädliche Chemikalie und kann in Haut, Mund, Speiseröhre und Magen eindringen. Allein das Einatmen von rauchender Salpetersäure kann die Luftröhre schädigen und zu Lungenentzündung führen. Daher sollte Salpetersäure mit großer Vorsicht gehandhabt werden.
Anwendungen von Salpetersäure
Salpetersäure wird in vielen Bereichen verwendet, u. a. in der Landwirtschaft, im Bauwesen, im Militär, in der Industrie, in der Textilindustrie, in der Chemie und in der Pharmazie. Einige häufige Verwendungen sind im Folgenden aufgeführt:
1. Rohstoffe für Düngemittel
Die drei Hauptbestandteile von Düngemitteln für das Pflanzen- und Getreidewachstum sind Stickstoff, Phosphorsäure und Kalium. Düngemittel auf der Basis von Salpetersäure werden als Stickstoffquelle verwendet.
2. Rohstoffe für Sprengstoffe
Salpetersäure wird auch bei der Synthese von Nitroverbindungen wie Nitroglycerin, Nitrocellulose, Trinitrotoluol (TNT) und Pikrinsäure verwendet. Diese sind Rohstoffe für Sprengstoffe, die auf Baustellen und im militärischen Bereich eingesetzt werden. Konzentrierte Salpetersäure wird auch als Oxidationsmittel in Raketentreibstoffen verwendet, da sie schnell mit Aminen reagiert und sich zersetzt.
3. Sonstiges
Salpetersäure wird auch als Rohstoff für die Herstellung von Zelluloid, Farbstoffen (Azofarbstoffe, Anilinfarbstoffe usw.), Pigmenten, Galvanik, Metallauflösung, Arzneimitteln, Kunstfasern, Toluoldiisocyanat, dem Hauptrohstoff für Polyurethan, und Adipinsäure verwendet.
Eigenschaften von Salpetersäure
Salpetersäure ist eine farblose Flüssigkeit mit einem Molekulargewicht von 63,02 und einem spezifischen Gewicht von 1,502. Sie hat einen Schmelzpunkt von -42 °C, einen Siedepunkt von 86 °C (98-%ige konzentrierte Salpetersäure) und 121° C (68-%ige verdünnte Salpetersäure), ist leicht löslich in Wasser und löslich in Ether und Alkohol. Sie zeichnet sich durch ihre blassgelbe Farbe, ihren eigentümlichen Geruch und ihre Rauchentwicklung an der Luft aus. Sie ist eine starke Säure und reagiert besonders stark mit Basen. Salpetersäure zersetzt sich auch bei Lichteinwirkung.
Salpetersäure hat ein starkes Oxidationsvermögen und zersetzt die meisten Metalle mit Ausnahme von Gold und Platin, aber Eisen, Chrom und Aluminium lösen sich nicht in Salpetersäure wegen ihres passiven Zustands.
Beim Erhitzen zersetzt sie sich unter Bildung giftiger Dämpfe. Sie ist ein starkes Oxidationsmittel und reagiert heftig mit brennbaren oder reduzierenden Stoffen. Sie reagiert auch heftig mit vielen üblichen organischen Verbindungen, Aceton, Essigsäure und Essigsäureanhydrid, was zu Explosions- und Brandgefahr führt.
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Methoden der Salpetersäureherstellung
Es gibt drei industrielle Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure: Zersetzung von Salpetersäure durch Schwefelsäure, Fixierung von Stickstoff in der Luft und Oxidation von Ammoniak. Im Allgemeinen wird Salpetersäure nach der letzten Methode, der Ammoniakoxidation (dem sogenannten ‘Ostwald-Verfahren’) hergestellt.
Das Ostwald-Verfahren besteht aus drei Hauptschritten: Oxidation von Ammoniak (NH3) zur Bildung von Stickstoffoxid (NO), Oxidation von Stickstoffoxid zur Bildung von Stickstoffdioxid (NO2) und Absorption von Stickstoffdioxid in Wasser. Jeder dieser Schritte wird im Folgenden beschrieben:
1. Oxidation von Ammoniak (NH3)
Indem ein Gemisch aus Ammoniak und Druckluft durch einen Platin-Rhodium-Katalysator geleitet wird, wird das Ammoniak zu Stickstoffmonoxid oxidiert. Dabei handelt es sich um eine exotherme Reaktion mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit und Nebenreaktionen, doch wird Stickstoffmonoxid gewonnen, wenn die Hauptreaktion mit einer hohen Ausbeute von über 90 % abläuft.
Hauptreaktion 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O
Nebenreaktion 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
2. Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO)
Die Oxidation von Stickstoffmonoxid erfolgt durch Abkühlung des Reaktionsgases, das Stickstoffmonoxid und überschüssigen Sauerstoff aus der ersten Stufe der Ammoniakoxidation enthält. Diese Oxidationsreaktion ist insofern einzigartig, als sie bei niedrigeren Temperaturen abläuft und die Abwärme aus dem Kühlprozess in der Anlage effektiv genutzt wird.
2NO + O2 → 2NO2
3. Absorption von Stickstoffdioxid in Wasser
Bei der Absorption des in der zweiten Reaktionsstufe entstandenen Stickstoffdioxidgases in Wasser entsteht Salpetersäure (HNO3). Da es sich hierbei um eine exotherme Reaktion handelt, führt eine Senkung der Temperatur dazu, dass die Reaktion zur Bildung von Salpetersäure führt. Die auf diese Weise erhaltene Salpetersäurekonzentration liegt in der Regel bei 55-68 % und wird als verdünnte Salpetersäure bezeichnet.
3NO2 + H2O → 2HNO3 +NO
Um konzentrierte Salpetersäure mit einer Konzentration von 68 % oder mehr herzustellen, ist es denkbar, das Wasser durch Erhitzen zu entfernen, um sie zu konzentrieren. Jedoch kann die Konzentration mit dieser Methode aufgrund des Phänomens der Azeotropie, bei dem die Salpetersäure parallel zur Verdampfung des Wassers verdampft, nicht über 68 % gesteigert werden. Aus diesem Grund werden zur Herstellung von konzentrierter Salpetersäure Methoden wie die Zugabe eines wasserabsorbierenden Dehydratisierungsmittels verwendet, um nur das Wasser zu entfernen.