오스트발트법(Ostwald process)은 독일의 물리화학자 빌헬름 오스트발트(Wilhelm Ostwald)가 발명한 암모니아 산화를 통해 질산(HNO₃)을 생산하는 공업적 화학 공정이다. 1902년 특허를 취득하였으며, 하버-보슈법(Haber-Bosch process)에 의해 암모니아가 대량 합성된 이후 질산 생산의 가장 널리 쓰이는 표준 공정으로 자리매김하였다.
오스트발트법은 크게 두 단계의 반응으로 구성된다.
1단계: 암모니아의 산화
암모니아(NH₃)를 약 900°C의 고온과 최대 8기압의 조건에서 백금-로듐 합금 촉매(백금망) 위에서 산소와 반응시켜 일산화질소(NO)와 수증기(H₂O)를 생성한다.
4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (ΔH = −905.2 kJ/mol, 강한 발열 반응)
이 과정에서 암모니아가 질소(N₂)나 아산화질소(N₂O)로 전환되는 부반응이 경쟁적으로 일어나므로, 촉매와의 접촉 시간을 최소화하여 수율을 높인다.
2단계: 일산화질소의 산화 및 질산으로의 전환
생성된 일산화질소(NO)를 약 250°C로 냉각하여 산소와 반응시키면 이산화질소(NO₂)가 생성된다.
2NO + O₂ → 2NO₂ (ΔH = -114.2 kJ/mol)
이 이산화질소를 물에 흡수시키면 질산(HNO₃)이 생성됨과 동시에 일부가 다시 일산화질소로 환원된다.
3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO (ΔH = −117 kJ/mol)
이때 재생성된 일산화질소는 공정 내에서 재순환된다. 전체 반응식은 다음과 같다.
NH₃ + 2O₂ → HNO₃ + H₂O (ΔH = −370.3 kJ/mol)
오스트발트법은 하버-보슈법으로 생산된 합성 암모니아를 원료로 사용하여, 천연 질산염(칠레 초석)에 의존하지 않고도 질산을 대량 생산할 수 있게 하였다. 제1차 세계 대전 당시 독일은 이 두 공정의 결합을 통해 연합국의 칠레 질산염 수입 봉쇄에도 불구하고 질산 생산을 유지하였으며, 이는 비료뿐만 아니라 화약 원료 공급에 전략적으로 중요한 역할을 하였다.
현대 화학 산업에서 오스트발트법은 가장 경제적이고 효율적인 질산 생산 방법으로, 비료와 폭약 제조 등 다양한 분야의 핵심 원료를 공급한다.
