Kas ir Ostvalda process?

Pirmā slāpekļskābes sintēze, karsējot salpetra, vara sulfāta un alauna maisījumu, parasti tiek piedēvēta arābu alķīmiķim Džabiram ibn Hajanam Geberam dažkārt 8. gadsimtā, taču par to ir zināma neskaidrība. 17. gadsimta vidū vācu ķīmiķis Johans Rūdolfs Glaubers ražoja skābi, destilējot salpetru ar sērskābi. Slāpekļskābe bija interesanta galvenokārt tāpēc, ka tā spēja izšķīdināt lielāko daļu metālu līdz 1847. gadā, kad tika atklāts nitroglicerīns. Drīz pēc šī brīža, kad tika atvērts jauns sprāgstvielu klāsts, kas iegūts, nitrējot organiskos savienojumus, slāpekļskābe un tās prekursors salpetrs bija ļoti pieprasīti. Līdz 20. gadsimta sākumam visa slāpekļskābes ražošana notika no salpetra.

1901. gadā Latvijā dzimušais vācu ķīmiķis Vilhelms Ostvalds izstrādāja metodi slāpekļskābes sintezēšanai no amonjaka oksidēšanas katalīzes ceļā. Process notiek trīs posmos. Pirmkārt, maisījums no vienas daļas amonjaka (NH3) gāzes un 10 daļām gaisa tiek ievadīts katalītiskajā kamerā, kur temperatūrā no 1292 līdz 1472 °F (700 līdz 800 °C) un izmantojot platīna katalizatoru, amonjaks savienojas ar skābeklis (O2), lai iegūtu slāpekļa oksīdu (NO): 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O. Otrkārt, oksidācijas kamerā 122 °F (50 °C) temperatūrā slāpekļa oksīds tiek apvienots ar skābekli, lai iegūtu slāpekļa dioksīdu: 2NO + O2 → 2NO2. Visbeidzot, absorbcijas kamerā slāpekļa dioksīds tiek izšķīdināts ūdenī, iegūstot slāpekļskābi (HNO3) un slāpekļa oksīdu, ko pēc tam var pārstrādāt: 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO.

Ostvalda procesā slāpekļskābi iegūst kā ūdens šķīdumu ar aptuveni 60% koncentrāciju. Destilējot, koncentrācija tiek palielināta līdz 68.5%, iegūstot reaģenta kvalitātes slāpekļskābi, ko izmanto lielākajai daļai mērķu. Šī skābe ir slāpekļskābes un ūdens azeotrops, kas nozīmē, ka abi savienojumi vārās vienā un tajā pašā temperatūrā — 251.6 °F (122 °C), tāpēc to nevar tālāk koncentrēt ar vienkāršu destilāciju. Ja nepieciešamas lielākas koncentrācijas, tās var iegūt, destilējot ar koncentrētu sērskābi, kas absorbē ūdeni, vai tieši kombinējot slāpekļa dioksīdu, ūdeni un skābekli augstā spiedienā.

Šis ķīmiskais process samazinātu paļaušanos uz salpetera rezervju samazināšanos, taču tam bija nepieciešams amonjaka avots, kas tajā laikā nebija viegli pieejams lielos daudzumos. Amonjaka problēma tika atrisināta, izstrādājot Hābera procesu, kurā šis savienojums tika sintezēts, izmantojot atmosfēras slāpekli un ūdeņradi no dabasgāzes. Ostvalda process ātri kļuva par galveno slāpekļskābes ražošanas līdzekli.

Šie divi rūpnieciskie procesi starp tiem ļāva lēti ražot slāpekļskābi milzīgos daudzumos. Tas savukārt palielināja lauksaimniecības produktivitāti, jo nitrātu mēslojumu varēja ražot lēti lielos daudzumos. Tomēr tas arī pagarināja Pirmo pasaules karu, jo Vācija, kas kara laikā bija atdalīta no lielākās daļas salpetra piegādēm, varēja turpināt ražot sprāgstvielas lielos daudzumos.