Salpetersäure und das Ostwald-Verfahren

Salpetersäure (HNO₃) ist die bekannteste und stabilste Sauerstoffsäure des Stickstoffs. Ihr Name leitet sich vom Chilesalpeter (NaNO₃) ab, aus dem sie bis zum 1. Weltkrieg mit konzentrierter Schwefelsäure hergestellt wurde.

Seit 1908 wird Salpetersäure industriell nach dem Ostwald-Verfahren hergestellt, das aus drei wichtigen Schritten besteht:

1. Erster Schritt: Ammoniak (NH₃) reagiert mit Sauerstoff (O₂) bei 600-700°C an einem Platin-Rhodium-Katalysator zu Wasser und Stickstoffmonoxid.

   • Reaktionsgleichung: 4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O
   • Das Gasgemisch darf den Katalysator nur kurz berühren, sonst zerfällt das NO wieder

2. Zweiter Schritt: Bei unter 50°C oxidiert das Stickstoffmonoxid weiter zu Stickstoffdioxid.

   • Reaktionsgleichung: 2 NO + O₂ → 2 NO₂

3. Dritter Schritt: In Rieseltürmen reagiert NO₂ mit Wasser zu Salpetersäure.

   • Reaktionsgleichung: 4 NO₂ + 2 H₂O + O₂ → 4 HNO₃
   • Als Zwischenprodukt entsteht dabei auch Salpetrige Säure (HNO₂)

Wichtige Reaktion: Bei der Herstellung von Salpetersäure nach dem Ostwald-Verfahren ist eine unerwünschte Nebenreaktion die Oxidation von Ammoniak zu elementarem Stickstoff: 4 NH₃ + 3 O₂ → 2 N₂ + 6 H₂O. Diese läuft auch ohne Katalysator ab und verringert die Ausbeute.

Eigenschaften der Salpetersäure:

• In reinem Zustand ist sie farblos
• Löst die meisten Metalle auf
• Bei Lichteinfall zersetzt sie sich unter Bildung von braunem Stickstoffdioxid, was zu gelber bis roter Färbung führt

Merke: Die Salpetersäure-Herstellung im Labor kann über verschiedene Methoden erfolgen, jedoch ist das Ostwald-Verfahren mit seinem Platin-Katalysator die wichtigste industrielle Methode.

Eigenschaften und Verwendung von Salpetersäure

Besondere Eigenschaften bei Metallreaktionen:

• Manche Metalle widerstehen der Salpetersäure durch Passivierung
• Zu diesen gehören: Gold, Platin, Iridium, Aluminium, Titan, Zirconium, Hafnium, Niob, Tantal und Wolfram
• Bei der Passivierung bildet sich eine fest haftende, undurchlässige Oxidschicht auf dem Metall

Salpetersäure wurde früher "Scheidewasser" genannt, weil sie Gold und Silber trennen konnte (Silber wird aufgelöst, Gold nicht). Gemischt mit Salzsäure entsteht "Königswasser", das auch Gold auflösen kann.

Wichtiger Fachbegriff: Salpetrige Säure (HNO₂) entsteht als Zwischenprodukt bei der Herstellung von Salpetersäure und ist weniger stabil als Salpetersäure selbst.

Verwendung von Salpetersäure:

• Als Nitrate (Salze der Salpetersäure) für Düngemittel und Explosivstoffe
• Silbernitrat für die Photoindustrie
• Zur Trennung von Gold und Silber (Quartation)
• In Königswasser zum Auflösen von Gold
• Zum Beizen und Brennen von Metallen
• Bei der Herstellung von Farbstoffen, Heilmitteln und Desinfektionsmitteln
• Zum Polieren von Metallen
• Neuerdings zur Erzeugung von DNA-Mutationen (Achtung: krebserregend!)

Chemischer Nachweis: Salpetersäure kann durch die Ringprobe nachgewiesen werden. Dabei wird die Probe mit Eisen(II)-sulfat-Lösung versetzt und mit konzentrierter Schwefelsäure unterschichtet, wodurch eine ringförmige Braunfärbung entsteht.

Reaktion mit Kupfer - Versuchsbeobachtung:

• Es entstehen braune Dämpfe (NO₂)
• Kupfer löst sich auf, die Flüssigkeit färbt sich blau $Cu²⁺-Ionen$
• Reaktionsgleichung: M + HNO₃ → 3MNO₃ + NO + 4H₂O $M = Münze/Kupfer$
• Anschließend: 2NO + O₂ → 2NO₂

Hinweis zur Sicherheit: Salpetersäure ist im Haushalt nur selten zu finden und sollte wegen ihrer ätzenden und oxidierenden Wirkung mit großer Vorsicht behandelt werden. Sie hat einen stechenden Geruch und darf niemals ohne Schutzausrüstung verwendet werden.