Аммиак (NH₃) в химии¶
Аммиак (NH₃) — неорганическое химическое соединение, простейший представитель ряда азотных водородных соединений (гидридов азота). Молекула аммиака состоит из одного атома азота и трёх атомов водорода, имеет вид правильной треугольной пирамиды с углом между связями N–H около 107,8°. При нормальных условиях аммиак — бесцветный газ с резким характерным запахом, в воде растворяется очень хорошо, образуя слабый электролит — гидроксид аммония.
¶Физические и химические свойства
Аммиак при 0 °C и давлении 760 мм рт. ст. представляет собой газ с плотностью 0,771 г/л, температурой кипения −33,3 °C и температурой плавления −77,7 °C. Благодаря способности образовывать водородные связи аммиак обладает аномально высокой для своего молярной массы теплоёмкостью и растворимостью в воде: при 20 °C в одном объёме воды растворяется около 700 объёмов аммиака.
Основные химические свойства аммиака:
- Основные свойства. Молекула аммиака содержит неподелённую электронную пару на атоме азота, за счёт чего аммиак проявляет свойства основания (донора электронной пары). В водном растворе он реагирует по уравнению NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻.
- Взаимодействие с кислотами. Аммиак нейтрализует кислоты, образуя соли аммония: NH₃ + HCl → NH₄Cl. Эта реакция лежит в основе качественной реакции на аммиак — появление белого дыма хлорида аммония.
- Окисление. При каталитическом окислении аммиака кислородом (реакция Оствальда) образуется оксид азота(II) NO, который далее окисляется до NO₂ и используется для производства азотной кислоты: 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (каталитически, Pt/Rh, 800–900 °C).
- Восстановление. Аммиак способен восстанавливать некоторые металлы из их оксидов, например: 2NH₃ + 3CuO → 3Cu + N₂ + 3H₂O.
- Образование комплексов. Аммиак образует прочные комплексные соединения с катионами переходных металлов, например тетраамминмедью(II) [Cu(NH₃)₄]²⁺, применяющееся для растворения некоторых осадков.
¶Получение
Промышленный синтез аммиака основан на реакции прямого соединения азота и водорода, открытом немецким химиком Фрицем Габером в 1909 году и реализованном промышленно Карлом Бошем (процесс Габера — Боша):
N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃, ΔH = −92 кДж/моль
Реакция проводится при давлении 150–300 атм, температуре 400–500 °C в присутствии железного катализатора с добавками оксидов алюминия и калия. Водород получают преимущественно из природного газа паровой конверсией, азот — из воздуха. В России крупнейшими производителями аммиака являются предприятия химических холдингов «ФосАгро» и «Еврохим», а также «Метафракс».
В лаборатории аммиак получают нагреванием смеси гидроксида аммония с щёлочью либо разложением аммиачных солей, например: 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O.
¶Применение
Аммиак — один из важнейших продуктов химической промышленности. Около 80 % произведённого аммиака расходуется на производство азотных удобрений: аммиачной селитры (NH₄NO₃), карбамида (мочевины, (NH₂)₂CO), сульфата аммония. Другие направления использования:
- производство азотной кислоты через каталитическое окисление;
- синтез нитратов и взрывчатых веществ;
- использование в качестве хладагента в промышленных холодильных установках (аммиачное холодоснабжение, группа температур от −60 до +10 °C);
- производство синтетических волокон, пластмасс, фармацевтических препаратов;
- в сельском хозяйстве — компонент для подкормки растений в растворённом виде.
¶Токсичность и безопасность
Аммиак относится к веществам 2-го класса опасности. Его ПДК в воздухе рабочей зоны составляет 20 мг/м³, предельно допустимая концентрация в атмосферном воздухе населённых мест — 0,04 мг/м³. При вдыхании концентраций свыше 300 мг/м³ возможен отёк лёгких, при высоких концентрациях — удушье. Пары аммиака раздражают слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. При работе с аммиаком применяют средства индивидуальной защиты органов дыхания.
¶Роль в природе
Аммиак — важный участник азотного цикла. Он образуется при гниении белковых веществ, жизнедеятельности бактерий, включается в аминокислоты и другие азотсодержащие органические молекулы. В виде солей аммония азот усваивается растениями. Аммиак обнаружен в атмосфере планет гигантов Солнечной системы, в том числе Юпитера и Сатурна, а также в межзвёздном газе.
¶История
Аммиак известен с древности: соединения аммония (соль аммония, хлорид аммония) добывались в районе храма Аммона в Ливийской пустыне, откуда и произошло название вещества. В 1774 году английский химик Джозеф Пристли получил чистый аммиак нагреванием соли аммония со щёлочью. В 1785 году Клод Луи Бертолле установил его элементный состав. Синтез аммиака из элементов в 1909 году Фрицем Габером стал одним из ключевых событий в истории химической промышленности.
¶Источники
- Реми Г. Курс общей химии. — М.: Мир.
- Хомченко Г. П. Химия для поступающих в вузы.
- Гранкин Н. Н., Гранкина В. Б. Неорганическая химия.
- Справочник химика. Том 2. — Л.: Химия.
- ГОСТ 9-686-88. Аммиак жидкий технический. Технические условия.