Processo de Ostwald

O processo Ostwald é um processo químico usado para produzir ácido nítrico (HNO₃). Wilhelm Ostwald desenvolveu o processo e o patenteou em 1902. O processo Ostwald é um dos pilares da indústria química moderna e fornece a principal matéria-prima para o tipo mais comum de produção de fertilizantes. Histórica e praticamente, o processo Ostwald está intimamente associado ao processo Haber, que fornece a matéria-prima necessária, amônia (NH₃).

Descrição

Estágio 1

A amônia é convertida em ácido nítrico em 2 etapas. É oxidado por aquecimento com oxigênio na presença de um catalisador como platina com 10% de ródio, platina metálica em lã de sílica fundida, cobre ou níquel, para formar óxido nítrico (óxido de nitrogênio (II)) e água (como vapor). Esta reação é fortemente exotérmica, tornando-se uma fonte de calor útil uma vez iniciada:

4 NO (g) + 6 H2O (g)}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">4NH3(g)+5O2(g)⟶ ⟶ ⟶ ⟶ 4Não.(g)+6H. H. H.2O(g)(g) + 5 O2 (g) -> 4 NO (g) + 6 H2O (g)}}} 4 NO (g) + 6 H2O (g)}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fc16d7d85bd384c444ea6b80daeacc7bf07cc115" style="vertical-align: -1.005ex; width:44.421ex; height:3.009ex;"/> (em inglês)H. H. H. = -905.2 kJ/mol)

Estágio 2

O estágio dois engloba duas reações e é realizado em um aparelho de absorção contendo água. Inicialmente, o óxido nítrico é oxidado novamente para produzir dióxido de nitrogênio (óxido de nitrogênio (IV)). Este gás é então facilmente absorvido pela água, produzindo o produto desejado (ácido nítrico, embora em forma diluída), enquanto reduz uma parte dele de volta ao óxido nítrico:

2 NO2 (g)}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">2Não.(g)+O2(g)⟶ ⟶ ⟶ ⟶ 2Não.2(g){displaystyle {ce {2 NO (g) + O2 (g) -> 2 NO2 (g)}}} 2 NO2 (g)}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b56e1f6a88be09fdcc7e6e0ecc85e395f57d415c" style="vertical-align: -1.005ex; width:30.97ex; height:3.009ex;"/> (em inglês)H. H. H. = −114 kJ/mol)

2 HNO3 (aq) + NO (g)}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">3Não.2(g)+H. H. H.2O(Eu...)⟶ ⟶ ⟶ ⟶ 2HNO3(Aq)+Não.(g){displaystyle {ce {3 NO2 (g) + H2O (l) -> 2 HNO3 (aq) + NO (g)}}} 2 HNO3 (aq) + NO (g)}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/87928a9933dea46faed93eb9c03fa92db8594c69" style="vertical-align: -1.005ex; width:45.585ex; height:3.009ex;"/> (em inglês)H. H. H. = −117 kJ/mol)

O NO é reciclado e o ácido é concentrado na força necessária por destilação.

E, se a última etapa for realizada no ar:

4 HNO3 (aq)}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">4Não.2(g)+O2(g)+2H. H. H.2O(Eu...)⟶ ⟶ ⟶ ⟶ 4HNO3(Aq)(g) + O2 (g) + 2 H2O (l) -> 4 HNO3 (aq)}}} 4 HNO3 (aq)}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d63b9b6c1aab4e564b2a9ca3507e7f5070ec0439" style="vertical-align: -1.005ex; width:46.446ex; height:3.009ex;"/> (em inglês)H. H. H. = −348 kJ/mol).[Na Torre de Absorção].

As condições típicas para o primeiro estágio, que contribuem para um rendimento geral de cerca de 98%, são:

• a pressão está entre 4-10 atmosferas padrão (410–1,000 kPa; 59–150 psi) e
• A temperatura é de cerca de 870–1,173 K (600–900 °C; 1,100–1,700 °F).

Uma complicação que precisa ser levada em consideração é uma reação colateral na primeira etapa que reverte o óxido nítrico de volta ao nitrogênio:

5 N2 + 6 H2O}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">4NH3+6Não.⟶ ⟶ ⟶ ⟶ 5N2+6H. H. H.2O(4 NH3 + 6 NO -> 5 N2 + 6 H2O}}} 5 N2 + 6 H2O}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/01dc0008162c7516f34c57928dbb8efcf52b5dc7" style="vertical-align: -1.005ex; width:32.469ex; height:2.843ex;"/>

Esta é uma reação secundária que é minimizada pela redução do tempo em que as misturas gasosas ficam em contato com o catalisador.

Reação geral

A reação global é a soma da primeira equação, 3 vezes a segunda equação e 2 vezes a última equação; tudo dividido por 2:

3 H2O (g) + 2 HNO3 (aq)}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">2NH3(g)+4O2(g)+H. H. H.2O(Eu...)⟶ ⟶ ⟶ ⟶ 3H. H. H.2O(g)+2HNO3(Aq)(g) + 4 O2 (g) + H2O (l) -> 3 H2O (g) + 2 HNO3 (aq)}}} 3 H2O (g) + 2 HNO3 (aq)}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/49c5280c1b275ad76db82a58598d8504ee6f239d" style="vertical-align: -1.005ex; width:58.348ex; height:3.009ex;"/> (em inglês)H. H. H. = -740.6 kJ/mol)

Alternativamente, se a última etapa for realizada no ar, a reação geral é a soma da equação 1, 2 vezes a equação 2 e a equação 4; tudo dividido por 2.

Sem considerar o estado da água,

H2O + HNO3 (aq)}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">NH3(g)+2O2(g)⟶ ⟶ ⟶ ⟶ H. H. H.2O+HNO3(Aq){displaystyle {ce {NH3 (g) + 2 O2 (g) -> H2O + HNO3 (aq)}}} H2O + HNO3 (aq)}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/39db2807b22932f535d9f981c0f001f0c1db4d10" style="vertical-align: -1.005ex; width:40.826ex; height:3.009ex;"/> (em inglês)H. H. H. = −370.3 kJ/mol)