Referat Industrielle Grundchemikalien - Schwefelsäure H2SO4, Ammoniak NH3, Salpetersäure HNO3, Phosphorsäure H3PO4

Industrielle Grundchemikalien

1.)Schwefelsäure H₂SO₄

Mengenmäßig gesehen ist die Schwefelsäure als Grundsubstanz einer Vielzahl wichtiger Verfahren die wichtigste Chemikalie. Der wichtigste Verbraucher (mit fast einem Drittel) ist die Düngemittelindustrie. An zweiter Stelle mit mehr als 15% steht der Verbrauch zur Produktion von Titandioxid (TiO₂), welches das bedeutendste Weißpigment mit einem sehr weiten Anwendungsfeld darstellt. Der dritte Schwefelsäure-Großverbraucher ist die Kunstfaserindustrie mit etwa 12%; daneben gibt es noch andere Anwendungsgebiete wie z.B. die Aufbereitung von Erdöl.

Schwefelsäure kann industriell nur aus Schwefeldioxid (SO₂) hergestellt werden. Dieses gewinnt man durch Verbrennen von Schwefel oder durch Abrösten von Sulfiden. In weiterer Folge liegt der Gewinnung von Schwefeltrioxid eine einfache Reaktionsgleichung zugrunde:

2 SO₂ + O₂ Û 2 SO₃ DH= -193kJ/mol

Das Kontakt-Verfahren ist das wichtigste Verfahren zur Erzeugung von Schwefeltrioxid und Schwefelsäure. Von besonderer Bedeutung ist hier das Doppelkontakt-Verfahren. Das sorgfältig von Staub befreite und gekühlte Reaktionsgemisch aus Luft und Schwefeldioxid gelangt zuerst in den Kontaktofen. Dieser ist ein viergeteilter Etagenofen. Der Katalysator besteht aus Vanadium(V)oxid und einem porösen Träger z.B. aus Kieselsäure. Zwei Hauptprobleme müssen gelöst werden. Einmal soll die Reaktion bei möglichst niedriger Temperatur ablaufen. Andererseits bedarf der Katalysator einer Mindesttemperatur, um arbeiten zu können. Je nach Katalysator und Fahrweise arbeitet man heute bei Temperaturen zwischen 400 und 500°C in den Kontaktofen. Die entstehende erhebliche Reaktionswärme muss abgeführt werden, weil der Katalysator über 600°C seine Wirksamkeit verliert.

Das entstandene Schwefeltrioxid wird nach der Abkühlung in konzentrierter Schwefelsäure absorbiert. Hierbei bildet sich Dischwefelsäure, die nun ihrerseits mittels verdünnter Schwefelsäue bzw. Wasser zu Schwefelsäure umgewandelt werden kann:

SO₃ +H₂SO₄ ® H₂S₂O₇

H₂S₂O₇ + H₂O 2 H₂SO₄

Vorteile des Kontakt-Verfahrens sind die für alle technischen Verwendungszwecke ausreichende Sauberkeit der Kontakt-Schwefelsäure, welche beim Bleikammer-Verfahren  nicht zu erreichen ist. Außerdem können 100%ige Schwefelsäure und Oleum, ein Gemisch aus reiner Schwefelsäure und Schwefeltrioxid (mit einem Gehalt von bis zu 80%) hergestellt werden. Nachteile sind die notwendige Staubfreiheit der Reaktionsgase und die Temperaturempfindlichkeit des Katalysators, welche eine genaue Temperaturführung der Kontaktöfen und umfangreiche Anlagen zum Kühlen und zum Wärmetausch erfordert.

2.)Ammoniak NH₃

Ammoniak bildet die Grundlage nahezu aller synthetisch hergestellten Stickstoff-Verbindungen. Über ihn wird der reaktionsträge Luftstickstoff in eine reaktive Form gebracht. Die Hauptmenge des Ammoniaks wird zu Salpetersäure weiterverarbeitet. Beide zusammen werden in erster Linie zur Herstellung von Düngemitteln eingesetzt. Andere bedeutsame Verwendungszwecke für Ammoniak sind die Herstellung von Harnstoff (CO(NH₂)₂), Hydrazin (N₂H₄), Blausäure (HCN) sowie der Einsatz als Base und Kühlmedium.

Als Einsatzgase für die Herstellung von Ammoniak fungieren atomgebundene Stickstoff (N₂) und Wasserstoff(H₂).

3.)Salpetersäure HNO₃

Die Herstellung erfolgt mittels Verbrennen von Ammoniak (Ostwald-Verfahren). Die dabei entstehenden nitrosen Gase werden unter weiterer Oxidation in Wasser absorbiert. Die bestehenden Anlagen unterscheiden sich durch den Druck, bei dem die Verbrennung und die Absorption ablaufen. Die Entscheidung für die jeweils günstigsten Bedingungen ist abhängig von den Preisen für Ammoniak, Platin (Katalysator) und Energie sowie den Personal- und Kapitalkosten.

4.)Phosphorsäure H₃PO₄

Neben Schwefelsäure, Salz- und Salpetersäure ist sie eine der wichtigsten Säuren der technischen Chemie. Zwei Verwendungsgebiete stehen im Vordergrund: die Düngemittel- und die Waschmittelherstellung. Daneben gibt es noch eine Reihe anderer Anwendungsgebiete, z.B. Säuerung von alkoholfreien Getränken. Phosphorsäure, genauer Orthophosphorsäure, gewinnt man hauptsächlich aus den verschiedenen Apatit-Arten. Apatit ist ein auf der Erde weitverbreitetes Mineral der allgemeinen Formel Ca₅(PO₄)₃ (F, OH, Cl). Technisch wichtig sind besonders der Fluor- und der Hydroxilapatit. Zur Gewinnung der Phosphorsäure aus Rohphosphaten bedient man sich zweier Hauptverfahren, die es jeweils in mehreren Varianten gibt:

Beim trockenen Verfahren der Phosphorsäure-Gewinnung gewinnt man zunächst weißen Phosphor nach einem Reduktionsprozess. Der Phosphor wird sodann zu Phosphorentoxid verbrannt, das schließlich mit Wasser zu Phosphorsäure umgesetzt wird. Die so hergestellte Phosphorsäure wird hauptsächlich zu Waschmittel-Phosphaten weiterverarbeitet. Das wichtigste dieser Phosphate ist das Natriumtripolyphosphat (Na₅P₃O₁₀).

Das nasse Verfahren wird überwiegend zur Gewinnung von Phosphor-Düngemitteln verwandt. Aufgeschlossen wird in erster Linie der Fluorapatit. Als Aufschlussmittel geeignet sind grundsätzlich alle starken Mineralsäuren. Die Schwefelsäure hat aber neben Salpeter- und Salzsäure die überragende Bedeutung. Der Schwefelsäure-Aufschluss wurde schon von Justus von Liebig aufgrund seiner berühmten Versuche zur Agrikulturchemie vorgeschlagen. Als Ausgangsstoff empfahl er Knochenmehl, ein dem Apatit ähnlicher Stoff.

Düngemittel kann man nach dem Schwefelsäure-Verfahren auf zweierlei Weise erhalten: Entweder man gewinnt zunächst die Phosphorsäure und arbeitet diese auf Ammonium- oder Kaliumphosphate um, oder man steuert den Aufschlussprozess so, dass als Hauptprodukt Calciumdihydrogenphosphat entsteht.

Die Chlor-Alkali-Elektrolyse

Darunter versteht man eine Gruppe elektrolytischer Verfahren. Hierzu zählen die Elektrolysen geschmolzener Erdalkali- oder Alkalichloride. Von wirtschaftlich sehr großer Bedeutung ist die Elektrolyse wässriger Kochsalzlösungen.

Formal handelt es sich dabei um einen sehr einfachen Vorgang:

2 NaCl + 2 H₂O ® 2 NaOH + Cl₂ + H₂

Bei diesen Kochsalz-Elektrolysen entsteht Chlor, Natronlauge und Wasserstoff als Hauptprodukte, welche große Redox-Potenziale aufweisen. Um die Stoffe vor Reaktionen zu schützen, gibt es drei Verfahren: das Diaphragma-Verfahren, das Amalgam-Verfahren und das Membran-Verfahren.

Das Diaphragma bei gleichnamigen Verfahren ist durchlässig für die Kochsalzlösung, nicht aber für die bei der Elektrolyse entstehenden Produkte.

Beim Amalgam-Verfahren sind die Bildung von Chlor und Wasserstoff sowie die Laugenbildung räumlich getrennt. Die Besonderheit des Amalgam-Verfahrens besteht in der Verwendung einer Katode aus flüssigem Quecksilber.

Eine Elektrolysezelle für das Membran-Verfahren besteht aus plattenförmigen Elektroden aus Titan oder Stahl. Zwischen diesen befindet sich die Membran. Es handelt sich um eine semipermeable Schicht auf einem Kunststoffträger. Hierdurch können zwar die Na⁺-Ionen in den Katodenraum eintreten, die Rückwanderung der OH^--Ionen in den Anodenraum ist dagegen nicht möglich.

5.)Natriumcarbonat (Soda) Na₂CO₃

Soda ist einer der wichtigsten Rohstoffe der Chemischen Industrie. Die Verwendung ist sehr vielseitig. Die Glasindustrie ist bei weitem am Wichtigsten, sonst noch Chemische Industrie, Eisenindustrie und weiters Waschmittelindustrie, Zellstoff- und Papierindustrie, Textilindustrie, Nahrungs- und Genussmittelindustrie.

Soda befindet sich in kleinen Mengen in manchen Mineralquellen. Sodareich sind manche abflusslose Binnenseen in Trockengebieten der Erde, z.B. die Natronseen in Agypten.

Früher gewann man in Europa das Soda durch Auslaugen von Pflanzenasche. Zwischen Pottasche (Kaliumcarbonat) und Soda konnte man noch nicht unterscheiden. Das Aufkommen von Soda reichte schon im 18.Jh. nicht mehr aus. Deshalb war ein neues technisches Verfahren notwendig. Das Problem wurde im Jahre 1791 von dem französischen Forscher Nicolas Leblanc gelöst. Mit diesem Verfahren beginnt die eigentliche Technische Chemie industriellen Maßstabs. Das Leblancsche Soda-Verfahren gab erst den Anlass zu einem Ausbau der Schwefelsäure-Fabrikation im großen Stil. Das Verfahren wurde noch verbessert, und 1863 war der nach den Gebrüdern Solvay benannte Prozess zur Soda-Gewinnung produktionsreif. Damit begann der sich beschleunigende Rückzug des Leblanc-Verfahrens. In den Zwanzigerjahren unseres Jahrhunderts wurde die letzte Leblanc-Soda-Fabrik geschlossen.

Nachteilig war bei der Produktion der hohe Energieaufwand und die komplizierte Steuerung des Verfahrens, weil die Reaktionen überwiegend in fester Form ablaufen. Beim Solvay-Verfahren finden die entscheidenden Reaktionen in Lösung statt. Der Energiebedarf ist im Vergleich niedrig.

6.)Produkte der Petrochemie

Hier sind zu nennen die Alkene und Alkine, welche wegen ihrer guten Reaktionsfähigkeit die idealen Grundstoffe für den Aufbau organischer Verbindungen darstellen. Sie werden durch thermische Zersetzung (Pyrolyse) von Alkanen hergestellt. Der Molekülabbau der Alkane durch Erhitzen erfolgt hierbei stufenweise und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.

7.)Aromatische Kohlenwasserstoffe (Arene)

Qualitativ wie quantitativ zählen sie zu den wichtigsten Grundstoffen der Technischen Chemie. Eine Reihe verhältnismäßig einfacher Reaktionen eröffnet unüberschaubar viele Umwandlungmöglichkeiten. Aus der Vielfalt der Produktpalette seien nur einige Produktklassen genannt: Farbstoffe, Pharmaka, Pflanzenschutzmittel, Kunststoffe und Kunstfasern. Der Menge nach von besonders großer Bedeutung sind die BTX-Arene Benzol, Toluol und Xylol. Arene finden sich in den Nebenprodukten der Kokserzeugung, heute wird aber die Hauptmenge der Aromaten aus Erdölfraktionen gewonnen. Bei der Gewinnung von Benzinkohlenwasserstoffen (Reformieren) bilden sich an Arenen angereicherte Fraktionen. Arene lassen sich durch Adsorption an Silicagel gewinnen. Die jeweils erhaltenen Arenen-Gemische werden durch fraktionierte Destillation weiter zerlegt.

8.)Umwandlungen aromatischer Kohlenwasserstoffe

Die wichtigsten Reaktionen am aromatischen Kern sind Substitutionen des Wasserstoffs. Hierzu zählen Halogenisierung, Nitrierung, Sulfonierung und Alkylierung. Bedeutsam sind außerdem die Oxidation unter Ringöffnung und die Hydrierung zu Cycloalkanen. auch die Veränderungen an den Seitenketten des Toluols und der Xylole führen zu einer Reihe wichtiger Substanzen. Hierzu gehören vor allem die Hydrodealkierung, die Isomerisierung und die Transalkylierung.

Umwandlungsprodukte des Benzols

Zu diesen zählen in erster Linie die aus dem Rohstoff gewonnenen Arene und Hydroarene. Nur ganz wenige der Folgeprodukte sind der Menge nach bedeutsam: Allein zur Herstellung von Styrol, Phenol und Cyclohexan werden mehr als 80% des gesamten Benzol-Aufkommens verbraucht. Besonderheiten der Grundreaktionen des Benzols: Viele der Reaktionen sind ziemlich stark exotherm, wobei dennoch eine nicht unbeträchtliche Aktivierungsenergie überwunden werden muss. Außerdem sind das Benzol und seine Produkte vielfach flüchtig, leicht entzündlich und bilden mit der Luft explosive Gemische.

Eine stark exotherme Reaktion, die daher gute Kühlung erfordert, ist die Chlorierung von Benzol. Benzol wird mit einem elementaren Chlor in der flüssigen Phase umgesetzt. Als Katalysator dient meist Eisentrichlorid. Von den verschiedenen Chlorierungsprodukten wie Chlorwasserstoff, Di-, Tri-, Tetra- und einfaches Chlorbenzol leiten sich wichtige Zwischenprodukte der Organischen Chemie ab.

Ebenfalls stark exotherm ist die Nitrierung von Benzol, wobei meist mit Salpetersäure und Schwefelsäure, die sich durch eine hohe Wärmekapazität und ein gutes Wärmeleitvermögen auszeichnet, gearbeitet wird. Gefährlich bei Nitrierungen ist die Neigung des Reaktionsgemisches, verzögert, dann aber explosionsartig zu reagieren. Das wichtigste der Derivate des Nitrobenzols ist das Anilin, eine der Schlüsselsubstanzen der Organischen Chemie. Auch die Sulfonierung ist ein exothermer Prozess. Sie ist eine Gleichgewichtsreaktion; bei Temperaturen über 100°C ist der Anteil der Rückreaktion schon merklich. Für eine vollständige Reaktion muss mit hohem Schwefelsäure-Überschuss gearbeitet werden. Eines der wichtigsten Folgeprodukte der Benzolsulfonsäure ist Phenol, dessen Hauptbedeutung in seiner Anwendung bei der Herstellung von Kunststoffen, Farbstoffen und Arzneimitteln liegt.

Die Alkylierung des Benzols erfolgt meist über die Addition von Alkenen in Gegenwart von Friedel-Crafts-Katalysatoren wie Aluminiumtrichlorid, Bortrifluorid oder Phosphorsäure. Es kann Aceton und Phenol gewonnen werden.

Die partielle Oxidation des Benzols zu Maleinsäureanhydrid erfolgt mit in der Luft in der Gasphase an Vanadium(V)oxid-Katalysatoren. Die Reaktion ist stark exotherm, weshalb die Temperaturführung schwierig ist. Maleinsäureanhydrid ist ein wertvoller Ausgangsstoff für Polyester und Kunstharzlacke.

Die Hydrierung des Benzols zu Cyclohexan erfolgt in der Gas- oder Flüssigphase an Edelmetallkatalysatoren. Die Reaktion ist exotherm und erfordert eine sehr sorgfältige Temperatursteuerung. Cyclohexan ist nicht nur ein wichtiges Lösungsmittel, sondern zugleich Ausgangsstoff für Cyclohexanon, Adipinsäure und Hexamethylendiamin, den Vorstufen von Nylon.

Umwandlungsprodukte des Toluols

Toluol ist ebenfalls Ausgangsmaterial für zahlreiche organische Verbindungen, steht aber in seiner Bedeutung weit hinter Benzol zurück. Toluol selbst ist ein wichtiges Lösemittel. Es dient außerdem als Zusatz für Motorkraftstoffe. Die  wichtigsten Produkte sind Polyuretane auf der Basis von Toluoldiisocyanaten, TNT als Sprengstoff, Benzoesäure, Phenol sowie eine Reihe wichtiger Farbstoffe und Pharmazeutika.

Umwandlungsprodukte der Xylole

Das technische Xylol ist ein Gemisch aller drei Isomeren. In dieser Form dient es vor allem als Lösemittel und Zusatz zu Kraftstoffen, zur Erhöhung der Octanzahl. Die reinen Isomeren werden hauptsächlich in die entsprechenden Phtalsäuren umgewandelt. Diese sind Ausgangsstoffe für Polyesterfasern- oder folien. Die Auftrennung der C₈-Arenen-Fraktion ist ziemlich aufwendig. o-Xylol lässt sich destillativ abtrennen, p-Xylol dagegen durch Kristallisation.

Naphtalin/Anthracen

Den weitaus größten Teil der Umwandlungsprodukte von Naphtalin bildet das Phtalsäureanhydrid, Anthracen wird fast ausschließlich zu Anthrachinon oxidiert.

9.)Sauerstoffhaltige aliphatische Verbindungen

Ihre Bedeutung ist keine allzu große, die Produktionszahlen reichen nicht an die reiner Kohlenwasserstoffe, der Massenkunststoffe oder der anorganischen Großprodukte heran. In der Gruppe der Alkohole (jetzt wird's interessant) überragt mengenmäßig das Methanol. Die Synthese erfolgt aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff:

CO + 2 H₂ H₃C-OH (DH = -90,8kJ/mol)

Der Genussalkohol wird ausschließlich auf dem Wege der Gärung hergestellt. Er wird auch industriell genutzt, meist aber durch 2-Propanol (Isopropyalkohol), ersetzt. Ethanol und 2-Propanol lassen sich durch Hydratisierung der entsprechenden Alkene herstellen.

H₃C-CH=CH₂ + H₂O  ^Katalysator H₃C-CH-CH₃

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OH

Als Katalysatoren kommen dabei - je nach Verfahren - Schwefelsäure, Phosphorsäure oder Wolframoxide zum Einsatz. Die Herstellung von Ethandiol (Glykol) erfolgt ebenfalls aus Ethen. Erwähnenswert ist noch die Oxo-Synthese, ein Verfahren zur Herstellung von Alkanolen und Alkanalen (C₃ bis C₁₃) aus Alkenen. Die Produkte der Oxo-Synthese dienen hauptsächlich zur Herstellung von PVC-Weichmachern.

Formaldehyd (Methanal) und Acetaldehyd (Ethanal)

Methanal wird fast ausschließlich durch Oxidation des Methanols gewonnen, Ethanal lässt sich aus Ethanol herstellen. Methanal wird bei der Herstellung von duroplastischen Kunststoffen (Phenol-, Harnstoff- und Melamin-Harzen) eingesetzt.

Carbonsäuren (Alkansäuren)

Unter den wenigen technisch wichtigen Alkansäuren nimmt die Ethansäure (Essigsäure) den ersten Platz ein. Große Mengen werden für die Herstellung von Estern (Lösemittel) und Polymeren (Polyvinylacetat) eingesetzt. Mengenmäßig den zweiten Rang nimmt die Hexandicarbonsäure (Adipinsäure) ein. Sie wird für die Nylonherstellung benötigt.

Literaturnachweis: Bertram Philipp/Peter Stevens 'Grundzüge der Industriellen Chemie'

VCH Verlagsgesellschaft mbH