Аммиак

Аммиак

Имена
Название ИЮПАК Аммиак [1]
Систематическое название ИЮПАК Азане
Другие имена Нитрид водорода R-717 (хладагент) R717 (альтернативное написание хладагента)
Идентификаторы
Количество CAS	7664-41-7 Y
3D модель ( JSmol )	Интерактивное изображение
3DMet	B00004
Ссылка на Beilstein	3587154
ЧЭБИ	ЧЕБИ: 16134 Y
ЧЭМБЛ	ChEMBL1160819 Y
ChemSpider	217 Y
ECHA InfoCard	100.028.760
Номер ЕС	231-635-3
Ссылка на Гмелин	79
КЕГГ	D02916 Y
MeSH	Аммиак
PubChem CID	222
Номер RTECS	BO0875000
UNII	5138Q19F1X Y
Номер ООН	1005
CompTox Dashboard ( EPA )	DTXSID0023872
ИнЧИ InChI = 1S / H3N / h1H3 Y Ключ: QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Y InChI = 1 / H3N / h1H3 Ключ: QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYAF
Улыбки N
Характеристики
Химическая формула	NH 3
Молярная масса	17,031 г / моль
Внешность	Бесцветный газ
Запах	сильный резкий запах
Плотность	0,86 кг / м 3 (1,013 бар при температуре кипения) 0,769 кг / м 3 (STP) [2] 0,73 кг / м 3 (1,013 бар при 15 ° C) 681,9 кг / м 3 при -33,3 ° C (жидкость) [3] См. Также Аммиак (страница данных) 817 кг / м 3 при −80 ° C (прозрачное твердое вещество) [4]
Температура плавления	-77,73 ° C (-107,91 ° F, 195,42 K) ( тройная точка при 6,060 кПа, 195,4 K)
Точка кипения	-33,34 ° С (-28,01 ° F, 239,81 К)
Критическая точка ( T , P )	132,4 ° C (405,5 К), 111,3 атм (11280 кПа)
Растворимость в воде	47% вес / вес (0 ° C) 31% вес / вес (25 ° C) 18% вес / вес (50 ° C) [5]
Растворимость	растворим в хлороформе , эфире , этаноле , метаноле
Давление газа	857,3 кПа
Кислотность (p K a )	32,5 (-33 ° C), [6] 10,5 (ДМСО)
Основность (p K b )	4,75
Конъюгированная кислота	Аммоний
Основание конъюгата	Амид
Магнитная восприимчивость (χ)	−18,0 · 10 −6 см 3 / моль
Показатель преломления ( n D )	1,3327
Вязкость	10,07 мкПа · с (25 ° C) [7] 0,276 мПа · с (-40 ° C)
Структура
Группа точек	C 3v
Молекулярная форма	Тригональная пирамида
Дипольный момент	1,42 Д
Термохимия
Стандартная мольная энтропия ( S o 298 )	193 Дж · моль −1 · K −1 [8]
Std энтальпия формации (Δ F H ⦵ 298 )	−46 кДж · моль −1 [8]
Опасности
Паспорт безопасности	См .: страницу данных ICSC 0414 (безводный)
Пиктограммы GHS	[9]
Сигнальное слово GHS	Опасность
Формулировки опасности GHS	H290 , H301 , H311 , H314 , H330 , H334 , H336 , H360 , H362 , H373 , H400
Меры предосторожности GHS	Р202 , P221 , P233 , P261 , P263 , P271 , P273 , P280 , P305 + 351 + 338 , P310 [9]
NFPA 704 (огненный алмаз)	1 3 0 COR
точка возгорания	132
самовоспламенения температуру	651 ° С (1204 ° F, 924 К)
Пределы взрываемости	15–28%
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
LD 50 ( средняя доза )	0,015 мл / кг (человек, перорально)
ЛК 50 ( средняя концентрация )	40 300 частей на миллион (крыса, 10 мин) 28 595 частей на миллион (крыса, 20 минут) 20 300 частей на миллион (крыса, 40 минут) 11590 частей на миллион (крыса, 1 час) 7338 частей на миллион (крыса, 1 час) 4837 частей на миллион (мышь, 1 час) 9859 частей на миллион (кролик, 1 час) 9859 частей на миллион (кошка, 1 час) 2000 частей на миллион (крыса, 4 часа) 4230 частей на миллион (мышь, 1 час) [10]
LC Lo ( самый низкий опубликованный )	5000 частей на миллион (млекопитающее, 5 мин) 5000 частей на миллион (человек, 5 минут) [10]
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США): [11]
PEL (Допустимо)	50 частей на миллион (25 частей на миллион ACGIH - TLV; 35 частей на миллион STEL )
REL (рекомендуется)	TWA 25 частей на миллион (18 мг / м 3 ) ST 35 частей на миллион (27 мг / м 3 )
IDLH (Непосредственная опасность)	300 частей на миллион
Родственные соединения
Другие катионы	Фосфин Arsine Стибин висмутина
Родственные гидриды азота	Гидразин Гидразойная кислота
Родственные соединения	Гидроксид аммония
Страница дополнительных данных
Структура и свойства	Показатель преломления ( n ), диэлектрическая проницаемость (ε r ) и т. Д.
Термодинамические данные	Фазовое поведение твердое тело – жидкость – газ
Спектральные данные	УФ , ИК , ЯМР , МС
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Y проверить  ( что есть   ?)YN
Ссылки на инфобоксы

Аммиак представляет собой соединение из азота и водорода с формулой NH ₃ . Стабильная бинарная гидрид , и простейший гидрид пниктогенового , аммиак представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом. Это распространенные азотные отходы , особенно среди водных организмов, и они вносят значительный вклад в удовлетворение потребностей в питании наземных организмов, служа прекурсором для пищевых продуктов и удобрений . Аммиак, прямо или косвенно, также является строительным блоком для синтеза многихфармацевтических продуктов и используется во многих коммерческих чистящих средствах. Он в основном собирается путем вытеснения воздуха и воды вниз.

Хотя распространена в природе, так и в наземноге на внешних планетах в Солнечной системе -А в широком использовании, аммиак и каустическая сода и опасная в ее концентрированной форме. Он классифицируется как чрезвычайно опасное вещество в Соединенных Штатах и ​​подлежит строгим требованиям отчетности предприятиями, которые производят, хранят или используют его в значительных количествах. ^[12]

Мировое промышленное производство аммиака в 2018 году составило 175 миллионов тонн ^[13] без существенных изменений по сравнению с мировым промышленным производством в 175 миллионов тонн в 2013 году. ^[14] Промышленный аммиак продается либо в виде аммиачной жидкости (обычно 28% аммиака в воде), либо в виде безводного жидкого аммиака под давлением или охлаждением, перевозимого в цистернах или баллонах. ^[15]

NH ₃ кипит при -33,34 ° C (-28,012 ° F) при давлении в одну атмосферу , поэтому жидкость необходимо хранить под давлением или при низкой температуре. Бытовой аммиак или гидроксид аммония - это раствор NH ₃ в воде. Концентрация таких растворов измеряется в единицах шкалы Боме ( плотность ), при этом 26 градусов Боме (около 30% (по массе) аммиака при 15,5 ° C или 59,9 ° F) являются типичным коммерческим продуктом с высокой концентрацией. ^[16]

Этимология [ править ]

Плиний в книге XXXI своей « Естественной истории» упоминает соль, производимую в римской провинции Киренаика, под названием hammoniacum , названную так из-за ее близости к близлежащему храму Юпитера Амона ( греч. Ἄμμων Ammon ). ^[17] Однако описание соли, данное Плинием, не соответствует свойствам хлорида аммония. Согласно комментарию Герберта Гувера в его английском переводе произведения Георгия Агриколы De re Metallica , вероятно, это была обычная морская соль. ^[18] В любом случае эта соль дала аммиак исоединения аммония их название.

Естественное явление [ править ]

Аммиак - это химическое вещество, которое в следовых количествах встречается в природе и производится из азотистых веществ животного и растительного происхождения. Аммиак и соли аммония также содержатся в небольших количествах в дождевой воде, тогда как хлорид аммония ( соляной аммиак ) и сульфат аммония обнаруживаются в вулканических районах; кристаллы бикарбоната аммония были обнаружены в гуано Патагонии . ^[19] The почки выделяют аммиак для нейтрализации избытка кислоты. ^[20] Соли аммония распространяются через плодородную почву и в морскую воду.

Аммиак также встречается по всей Солнечной системе на Марсе , Юпитере , Сатурне , Уране , Нептуне и Плутоне , а также в других местах: на более мелких ледяных телах, таких как Плутон, аммиак может действовать как геологически важный антифриз в виде смеси воды и аммиак может иметь температуру плавления 173 K (-100 ° C; -148 ° F), если концентрация аммиака достаточно высока и, таким образом, позволяет таким телам сохранять внутренние океаны и активную геологию при гораздо более низкой температуре, чем это было бы возможно. только водой. ^{[21] [22]} Вещества, содержащие аммиак или аналогичные ему, называютсяаммиачный .

Свойства [ править ]

Аммиак - бесцветный газ с характерным резким запахом. Он легче воздуха , его плотность в 0,589 раза больше плотности воздуха . Он легко сжижается из-за сильной водородной связи между молекулами; жидкость кипит при -33,3 ° C (-27,94 ° F), и замерзает до белых кристаллов ^[19] при -77,7 ° C (-107.86 ° F).

Аммиак можно легко дезодорировать, реагируя либо с бикарбонатом натрия, либо с уксусной кислотой . Обе эти реакции образуют соль аммония без запаха.

Твердый

Симметрия кристалла - кубическая, символ Пирсона cP16, пространственная группа P2 ₁ 3 №198, постоянная решетки 0,5125  нм . ^[23]

Жидкость

Жидкий аммиак обладает сильной ионизирующей способностью, отражающей его высокое значение ε , равное 22. Жидкий аммиак имеет очень высокое стандартное изменение энтальпии испарения (23,35  кДж / моль, сравните воду 40,65 кДж / моль, метан 8,19 кДж / моль, фосфин 14,6 кДж / моль) и поэтому может использоваться в лабораториях в неизолированных емкостях без дополнительного охлаждения. Рассматривайте жидкий аммиак как растворитель .

Свойства растворителя

Аммиак легко растворяется в воде. В водном растворе его можно выгнать кипячением. Водный раствор аммиака является основным . Максимальная концентрация аммиака в воде ( насыщенный раствор ) имеет плотность 0,880 г / см ³ и часто известна как «аммиак 0,880».

Горение

Аммиак не горит легко и не поддерживает горение , за исключением узких топливно-воздушных смесей, содержащих 15–25% воздуха. При смешивании с кислородом горит бледным желтовато-зеленым пламенем. Возгорание происходит, когда хлор переходит в аммиак с образованием азота и хлористого водорода ; если хлор присутствует в избытке, то также образуется взрывоопасный трихлорид азота (NCl ₃ ).

Разложение

При высокой температуре и в присутствии подходящего катализатора аммиак разлагается на составляющие элементы. Разложение аммиака - это слегка эндотермический процесс, требующий 5,5 ккал / моль аммиака, и дает водород и газообразный азот. Аммиак также можно использовать в качестве источника водорода для кислотных топливных элементов, если можно удалить непрореагировавший аммиак. Катализаторы из рутения и платины оказались наиболее активными, тогда как катализаторы из никеля на носителе были менее активными.

Структура [ править ]

Молекула аммиака имеет тригонально-пирамидальную форму, как это предсказывает теория отталкивания пар электронов валентной оболочки (теория VSEPR) с экспериментально определенным валентным углом 106,7 °. ^[24] Центральный атом азота имеет пять внешних электронов с дополнительным электроном от каждого атома водорода. Это дает в общей сложности восемь электронов или четыре пары электронов, расположенных тетраэдрически. Три из этих электронных пар используются как пары связи, в результате чего остается одна неподеленная пара электронов. Неподеленная пара отталкивается сильнее, чем пары связей, поэтому валентный угол составляет не 109,5 °, как ожидалось для правильного тетраэдрического расположения, а 106,7 °. ^[24] Эта форма дает молекуле диполь.момент и делает его полярным . Полярность молекулы и особенно ее способность образовывать водородные связи делают аммиак легко смешиваемым с водой. Неподеленная пара превращает аммиак в основание , акцептор протонов. Аммиак умеренно щелочной; 1,0 М водный раствор имеет pH 11,6, и если к такому раствору добавить сильную кислоту до тех пор, пока раствор не станет нейтральным (pH = 7), протонируется 99,4% молекул аммиака . Температура и соленость также влияют на долю NH ₄ ⁺ . Последний имеет форму правильного тетраэдра и изоэлектронный с метаном .

Молекула аммиака легко превращается в азотную инверсию при комнатной температуре; Полезная аналогия - зонт, вывернувшийся наизнанку на сильном ветру. Энергетический барьер для этой инверсии составляет 24,7 кДж / моль, а резонансная частота составляет 23,79 ГГц , что соответствует микроволновому излучению с длиной волны 1,260 см. Поглощение на этой частоте было первым наблюдаемым микроволновым спектром . ^[25]

Амфотеричность [ править ]

Одно из наиболее характерных свойств аммиака - его основность . Аммиак считается слабым основанием. Он соединяется с кислотами с образованием солей ; таким образом, с соляной кислотой он образует хлорид аммония (салиновый аммиак); с азотной кислотой , нитратом аммония и т. д. Совершенно сухой аммиак не сочетается с идеально сухим хлористым водородом ; для реакции необходима влага. ^{[26] [27]} В качестве демонстрационного эксперимента открытые бутылки с концентрированным аммиаком и соляной кислотой производят облака хлорида аммония, которые, кажется, появляются «из ничего», когда соль образуется там, где встречаются два рассеивающихся облака молекул, где-то между двумя бутылками.

Соли, образующиеся при действии аммиака на кислоты, известны как соли аммония, и все они содержат ион аммония (NH ₄ ⁺ ). ^[26]

Хотя аммиак хорошо известен как слабое основание, он также может действовать как чрезвычайно слабая кислота. Это протонное вещество, способное образовывать амиды (содержащие ион NH ₂ ^- ). Например, литий растворяется в жидком аммиаке с образованием раствора амида лития :

Самодиссоциация [ править ]

Как и вода, жидкий аммиак подвергается молекулярной автоионизации с образованием конъюгатов кислоты и основания :

Аммиак часто действует как слабое основание , поэтому он обладает некоторой буферной способностью. Сдвиг pH приведет к появлению большего или меньшего количества катионов аммония ( NH⁺
₄) и амид-анионы ( NH^-
₂) присутствовать в растворе . При стандартном давлении и температуре K = [ NH⁺
₄] [ NH^-
₂] = 10⁻³⁰

Сжигание [ править ]

Процесс горения аммиака до азота и воды экзотермичен :

Стандартное изменение энтальпии сгорания , А H ° _С , в расчете на моль аммиака и конденсации воды , образованной, составляет -382,81 кДж / моль. Динитроген является термодинамическим продуктом горения: все оксиды азота нестабильны по отношению к N ₂ и O ₂ , что лежит в основе каталитического нейтрализатора . Оксиды азота могут образовываться в виде кинетических продуктов в присутствии соответствующих катализаторов, что имеет большое промышленное значение для производства азотной кислоты :

Последующая реакция приводит к NO ₂ :

Сжигание аммиака на воздухе очень затруднительно в отсутствие катализатора (такого как платиновая сетка или теплый оксид хрома (III) ) из-за относительно низкой теплоты сгорания, более низкой скорости ламинарного горения, высокой температуры самовоспламенения, высокая теплота парообразования и узкий диапазон воспламеняемости. Однако недавние исследования показали, что эффективное и стабильное сжигание аммиака может быть достигнуто с использованием вихревых камер сгорания, тем самым возрождая исследовательский интерес к аммиаку как топливу для производства тепловой энергии. ^[28] Диапазон воспламеняемости аммиака в сухом воздухе составляет 15,15–27,35%, а при 100% относительной влажности воздуха - 15,95–26,55%. ^[29]Для изучения кинетики горения аммиака требуется подробный надежный механизм реакции, однако знание химической кинетики аммиака во время процесса горения является сложной задачей. ^[30]

Образование других соединений [ править ]

В органической химии аммиак может выступать в качестве нуклеофила в реакциях замещения . Амины могут быть образованы реакцией аммиака с алкилгалогенидами , хотя образующаяся группа -NH ₂ также является нуклеофильной, а вторичные и третичные амины часто образуются как побочные продукты. Избыток аммиака помогает минимизировать множественное замещение и нейтрализует образовавшийся галогенид водорода . Метиламин коммерчески получают реакцией аммиака с хлорметаном , и реакцию аммиака с 2-бромпропановой кислотой использовали для получения рацемического аланина с выходом 70%.Этаноламин получают реакцией раскрытия кольца с оксидом этилена : иногда реакции позволяют идти дальше, чтобы получить диэтаноламин и триэтаноламин .

Амиды можно получить реакцией аммиака с производными карбоновой кислоты . Ацилхлориды являются наиболее реактивными, но аммиак должен присутствовать, по крайней мере, в двукратном избытке, чтобы нейтрализовать образующийся хлористый водород . Сложные эфиры и ангидриды также реагируют с аммиаком с образованием амидов. Аммонийные соли карбоновых кислот могут быть дегидратированы до амидов при отсутствии термочувствительных групп: требуется температура 150–200 ° C.

Водород в аммиаке подвержен замене множеством заместителей. При нагревании с натрием он превращается в содамид NaNH ₂ . ^[26] С хлором образуется монохлорамин .

Пятивалентный аммиак известен как λ ⁵ -амин или, чаще, гидрид аммония. Это кристаллическое твердое вещество стабильно только при высоком давлении и при нормальных условиях снова разлагается на трехвалентный аммиак и газообразный водород. Это вещество когда-то было исследовано как возможное твердое ракетное топливо в 1966 году ^[31].

Аммиак как лиганд [ править ]

Аммиак может действовать как лиганд в комплексах переходных металлов . Это чистый σ-донор, находящийся в середине спектрохимического ряда , и демонстрирующий промежуточное жестко-мягкое поведение (см. Также модель ECW ). Его относительная донорная сила по отношению к ряду кислот по сравнению с другими основаниями Льюиса может быть проиллюстрирована графиками CB . ^{[32] [33]} По историческим причинам аммиак назван аммином в номенклатуре координационных соединений . Некоторые известные амминные комплексы включают тетраамминдиаквакоппер (II) ([Cu (NH ₃ ) ₄ (H ₂ O) ₂] ²⁺ ), темно-синий комплекс, образованный добавлением аммиака к раствору солей меди (II). Гидроксид тетраамминдиаквакоппера (II) известен как реагент Швейцера и обладает замечательной способностью растворять целлюлозу . Диамминсеребро (I) ([Ag (NH ₃ ) ₂ ] ⁺ ) является активным веществом в реагенте Толленса . Образование этого комплекса также может помочь различить осадки различных галогенидов серебра: хлорид серебра (AgCl) растворим в разбавленном (2M) растворе аммиака, бромид серебра (AgBr) растворим только в концентрированном растворе аммиака, тогда как йодид серебра (AgI) не растворяется в водном аммиаке.

Амминовые комплексы хрома (III) были известны в конце 19 века и легли в основу революционной теории Альфреда Вернера о строении координационных соединений. Вернер отметил только два изомер ( FAC - и мономерную -) комплекса [циклических ₃ (NH ₃ ) ₃ ] может быть сформирована, и пришел к выводу , что лиганды должны быть расположены вокруг металлического иона в вершинах в качестве октаэдра . Это предположение было подтверждено рентгеновской кристаллографией .

Амминный лиганд, связанный с ионом металла, заметно более кислый, чем свободная молекула аммиака, хотя депротонирование в водном растворе все еще редко. Одним из примеров является реакция Каломеля , в которой образующееся соединение амидомертути (II) очень нерастворимо.

Аммиак образует аддукты 1: 1 с различными кислотами Льюиса, такими как I ₂ , фенол и Al (CH ₃ ) ₃ . Аммиак - твердое основание, и его параметры E & C равны E _B = 2,31 и C _B = 2,04. Его относительная донорная сила по отношению к ряду кислот по сравнению с другими основаниями Льюиса может быть проиллюстрирована графиками CB .

Обнаружение и определение [ править ]

Аммиак в растворе [ править ]

Аммиак и соли аммония могут быть легко обнаружены в мельчайших следах путем добавления раствора Несслера , который дает отчетливую желтую окраску в присутствии малейших следов аммиака или солей аммония. Количество аммиака в солях аммония можно оценить количественно путем отгонки солей с гидроксидом натрия или калия , выделившийся аммиак абсорбируется известным объемом стандартной серной кислоты, а избыток кислоты затем определяется объемно ; или аммиак может быть абсорбирован соляной кислотой, и образовавшийся таким образом хлорид аммония осаждается в виде гексахлороплатината аммония (NH ₄ )₂ PtCl ₆ . ^[34]

Газообразный аммиак [ править ]

Серные палочки сжигаются для обнаружения небольших утечек в промышленных системах охлаждения аммиака. Более высокие количества могут быть обнаружены путем нагревания солей едкой щелочью или негашеной извести , когда сразу становится очевидным характерный запах аммиака. ^[34] Аммиак является раздражителем, и раздражение усиливается с концентрацией; допустимый предел воздействия составляет 25 частей на миллион, и летальным выше 500 частей на миллион. ^[35] Обычные детекторы с трудом обнаруживают более высокие концентрации, тип детектора выбирается в соответствии с требуемой чувствительностью (например, полупроводниковый, каталитический, электрохимический). Предложены голографические сенсоры для определения концентраций до 12,5% по объему. ^[36]

Аммиачный азот (NH ₃ -N) [ править ]

Аммиачный азот (NH ₃ -N) - это мера, обычно используемая для проверки количества ионов аммония , полученных естественным образом из аммиака и возвращенных в аммиак в результате органических процессов в воде или сточных жидкостях. Это показатель, используемый в основном для количественной оценки значений в системах обработки сточных вод и водоочистки, а также для оценки состояния природных и искусственных запасов воды. Он измеряется в единицах мг / л ( миллиграмм на литр ).

История [ править ]

Древнегреческий историк Геродот упомянул, что в районе Ливии, населенном народом, называемым «аммонийцы» (ныне оазис Сива на северо-западе Египта, где до сих пор существуют соленые озера), были выходы соли . ^{[37] [38]} Греческий географ Страбон также упомянул соль из этого региона. Однако древние авторы Диоскорид , Апиций , Арриан , Синезий и Аэций из Амиды описали эту соль как образующую прозрачные кристаллы, которые можно было использовать для приготовления пищи и которые по сути были каменной солью . ^[39] Hammoniacus Sal появляется в трудах Плинии , ^[40] , хотя это не известно , является ли этот термин идентичен с более современным нашатырем (хлористый аммоний). ^{[19] [41] [42]}

При ферментации мочи бактериями образуется раствор аммиака ; поэтому в классической античности ферментированная моча использовалась для стирки тканей и одежды, для удаления волос с шкур при подготовке к дублению, в качестве протравы для окрашивания тканей и для удаления ржавчины с железа. ^[43]

В форме нашатыря (نشادر, nushadir) , аммиак был важен для мусульманских алхимиков в начале 8 - го века, впервые упоминается в персидско-арабским химиком Джабир ибн Hayyan , ^[44] и европейские алхимики начиная с 13 - го века , упомянутый Альбертусом Магнусом . ^[19] В средние века красильщики использовали его в виде ферментированной мочи для изменения цвета растительных красителей. В 15 веке Василий Валентин показал, что аммиак можно получить действием щелочей на нашатырный спирт. ^[45]В более поздний период, когда нашатырный спирт был получен путем дистилляции копыт и рогов быков и нейтрализации образовавшегося карбоната соляной кислотой , аммиак стал называться «дух из оленьего рога». ^{[19] [46]}

Газообразный аммиак был впервые выделен Джозефом Блэком в 1756 году путем реакции солевого аммиака ( хлорида аммония ) с кальцинированным магнезиатом ( оксидом магния ). ^{[47] [48]} Он был выделен снова Питер Вулф в 1767, ^{[49] [50]} по Шееле в 1770 г. ^[51] и Джозефа Пристли в 1773 году и получил название от его «щелочной воздух». ^{[19] [52]} Одиннадцать лет спустя, в 1785 году, Клод Луи Бертолле выяснил его состав. ^{[53] [19]}

Процесс Хабер-Бош для получения аммиака из азота в воздухе была разработана Габер и Карл Бош в 1909 году и запатентован в 1910 году впервые был использован в промышленном масштабе в Германии во время первой мировой войны , ^[54] следующие союзный блокада, которая перекрыла поставки нитратов из Чили . Аммиак использовался для производства взрывчатки для поддержания военных действий. ^[55]

До появления природного газа водород в качестве прекурсора для производства аммиака производился путем электролиза воды или с использованием процесса хлористой щелочи .

С появлением сталелитейной промышленности в 20 веке аммиак стал побочным продуктом производства коксующегося угля.

Использует [ редактировать ]

Удобрение [ править ]

В США по состоянию на 2019 год примерно 88% аммиака использовалось в качестве удобрений в виде солей, растворов или безводно. ^[13] При внесении в почву он помогает повысить урожайность таких культур, как кукуруза и пшеница. ^[56] 30% сельскохозяйственного азота, применяемого в США, находится в форме безводного аммиака, а во всем мире применяется 110 миллионов тонн ежегодно. ^[57]

Предшественник азотистых соединений [ править ]

Аммиак прямо или косвенно является предшественником большинства азотсодержащих соединений. Практически все синтетические соединения азота получают из аммиака. Важное производное - азотная кислота . Этот ключевой материал образуется в процессе Оствальда путем окисления аммиака воздухом над платиновым катализатором при температуре 700–850 ° C (1292–1,562 ° F), ≈9 атм. Оксид азота является промежуточным звеном в этой конверсии: ^[58]

Азотная кислота используется для производства удобрений , взрывчатых веществ и многих азоторганических соединений.

Аммиак также используется для изготовления следующих соединений:

• Гидразин в процессе Олина Рашига и в процессе перекиси водорода
• Цианистый водород в процессах BMA и Andrussow
• Гидроксиламин и карбонат аммония в процессе Рашига
• Фенол в процессе Рашига – Хукера
• Мочевина , в процессе производства карбамида Bosch – Meiser и в синтезе Велера
• Аминокислоты , используя синтез аминокислот по Стрекеру
• Акрилонитрил в процессе Sohio

Аммиак также можно использовать для получения соединений в реакциях, которые конкретно не названы. Примеры таких соединений включают: перхлорат аммония , нитрат аммония , формамид , четырехокись азот , алпразолы , этаноламин , этиловый карбамат , гексаметилентетрамин и бикарбонат аммония .

Как уборщик [ править ]

Бытовой аммиак - это раствор NH ₃ в воде, который используется в качестве моющего средства общего назначения для многих поверхностей. Поскольку аммиак дает блеск без полос, одним из наиболее распространенных способов его использования является чистка стекла, фарфора и нержавеющей стали. Его также часто используют для чистки духовок и замачивания предметов, чтобы удалить пригоревшую грязь. Концентрация бытового аммиака колеблется от 5 до 10% по массе. ^[59] Производители чистящих средств в США обязаны предоставлять паспорт безопасности материала, в котором указана использованная концентрация. ^[60]

Ферментация [ править ]

Растворы аммиака от 16% до 25% используются в ферментационной промышленности в качестве источника азота для микроорганизмов и для регулирования pH во время ферментации.

Противомикробное средство для пищевых продуктов [ править ]

Еще в 1895 году было известно, что аммиак является «сильным антисептиком ... для сохранения говяжьего чая требуется 1,4 грамма на литр ». ^[61] В одном исследовании безводный аммиак уничтожил 99,999% зоонозных бактерий в 3 типах кормов для животных , но не силос . ^{[62] [63]} Безводный аммиак в настоящее время коммерчески используется для уменьшения или устранения микробного загрязнения говядины . ^{[64] [65]} Постная говядина с мелкой текстурой (широко известная как « розовая слизь ») в мясной промышленности производится из жирной говяжьей обрези.(около 50–70% жира) путем удаления жира с помощью нагрева и центрифугирования , а затем обработки его аммиаком для уничтожения кишечной палочки . Этот процесс был признан эффективным и безопасным Министерством сельского хозяйства США на основании исследования, которое показало, что лечение снижает уровень кишечной палочки до неопределяемого уровня. ^[66] Были опасения по поводу безопасности процесса, а также жалобы потребителей на вкус и запах говядины, обработанной аммиаком. ^[67]

Незначительные и новые применения [ править ]

Холодильное оборудование - R717 [ править ]

Из-за свойств испарения аммиака он является полезным хладагентом . ^[54] Он широко использовался до популяризации хлорфторуглеродов (фреонов). Безводный аммиак широко используется в промышленных холодильных установках и на хоккейных площадках из-за его высокой энергоэффективности и низкой стоимости. Он страдает недостатком токсичности и требует компонентов, устойчивых к коррозии, что ограничивает его бытовое и мелкомасштабное использование. Наряду с его использованием в современном парокомпрессионном охлаждении он используется в смеси вместе с водородом и водой в абсорбционных холодильниках . Цикл Kalina, значение которого для геотермальных электростанций возрастает, зависит от широкого диапазона кипения водно-аммиачной смеси. Аммиачный хладагент также используется в радиаторе S1 на борту Международной космической станции в двух контурах, которые используются для регулирования внутренней температуры и проведения экспериментов в зависимости от температуры. ^{[68] [69]}

Потенциальная важность аммиака как хладагента возросла с открытием того, что вентилируемые CFC и HFC являются чрезвычайно мощными и стабильными парниковыми газами. ^[70] Вклад ХФУ и ГФУ в парниковый эффект, которые используются в настоящее время, в случае их сброса, будет соответствовать вкладу всего CO ₂ в атмосфере. ^{[ необходима цитата ]}

Для устранения газовых выбросов [ править ]

Аммиак используется для очистки SO ₂ от сжигания ископаемого топлива, а полученный продукт превращается в сульфат аммония для использования в качестве удобрения. Аммиак нейтрализует оксиды азота (NO _x ), выбрасываемые дизельными двигателями. Эта технология, называемая SCR ( селективное каталитическое восстановлением ), опирается на ванадь основанный катализатор. ^[71]

Аммиак можно использовать для уменьшения газообразных разливов фосгена . ^[72]

Как топливо [ править ]

Плотность сырой энергии жидкого аммиака составляет 11,5 МДж / л ^[73], что примерно в три раза меньше , чем у дизельного топлива . Существует возможность преобразовать аммиак обратно в водород, где он может быть использован для питания водородных топливных элементов или может быть использован непосредственно в высокотемпературных твердооксидных топливных элементах с прямым аммиаком для обеспечения эффективных источников энергии, которые не выделяют парниковые газы . ^{[74] [75]} Превращение аммиака в водород посредством процесса амида натрия ^[76] для сжигания или в качестве топлива для топливного элемента с протонообменной мембраной , ^[73]возможно. Конверсия в водород позволит хранить водород в количестве почти 18 мас.% По сравнению с ≈5% для газообразного водорода под давлением.

Аммиачные двигатели или аммиачные двигатели, использующие аммиак в качестве рабочего тела , были предложены и иногда используются. ^[77] Принцип аналогичен тому, который используется в беспламенном локомотиве , но с аммиаком в качестве рабочего тела вместо пара или сжатого воздуха. Аммиачные двигатели экспериментально использовались в 19 веке компанией Goldsworthy Gurney в Великобритании и на трамвае на Сент-Чарльз-авеню в Новом Орлеане в 1870-х и 1880-х годах ^[78], а во время Второй мировой войны аммиак использовался для питания автобусов в Бельгии. ^[79]

Аммиак иногда предлагается в качестве практической альтернативы ископаемому топливу для двигателей внутреннего сгорания . ^{[79] [80] [81]} Его высокое октановое число 120 ^[82] и низкая температура пламени ^[83] позволяют использовать высокие степени сжатия без потери высокого образования NOx. Поскольку аммиак не содержит углерода, при его сгорании не может образоваться диоксид углерода , монооксид углерода , углеводороды или сажа .

Несмотря на то, что производство аммиака в настоящее время создает 1,8% глобальных выбросов CO2, в отчете Королевского общества за 2020 год ^[84] утверждается, что «зеленый» аммиак может быть произведен с использованием низкоуглеродного водорода (синий водород и зеленый водород). К 2050 году возможна полная декарбонизация производства аммиака и достижение нулевых показателей.

Однако аммиак не может быть легко использован в существующих двигателях цикла Отто из-за его очень узкого диапазона воспламеняемости , а также существуют другие препятствия для широкого использования в автомобилях. Что касается поставок сырого аммиака, необходимо будет построить заводы для увеличения объемов производства, что потребует значительных капиталовложений и источников энергии. Хотя это второй по величине производимый химикат (после серной кислоты), масштабы производства аммиака составляют лишь небольшую часть мирового потребления нефти. Его можно производить из возобновляемых источников энергии, а также из угля или ядерной энергии. Плотина Рьюкан мощностью 60 МВт в Телемарке , Норвегия, в течение многих лет с 1913 года производила аммиак, обеспечивая удобрения для большей части Европы.

Несмотря на это, было проведено несколько тестов. В 1981 году канадская компания переоборудовала Chevrolet Impala 1981 года для работы на аммиаке в качестве топлива. ^{[85] [86]} В 2007 году пикап Мичиганского университета, работающий на аммиаке, поехал из Детройта в Сан-Франциско в рамках демонстрации, потребовав лишь одной заправки в Вайоминге. ^[87]

По сравнению с водородом в качестве топлива , аммиак намного более энергоэффективен, и его можно производить, хранить и доставлять с гораздо меньшими затратами, чем водород, который должен храниться в сжатом состоянии или в виде криогенной жидкости. ^{[73] [88]}

Ракетные двигатели также работают на аммиаке. В ракетном двигателе Reaction Motors XLR99, которым был установлен гиперзвуковой исследовательский самолет X-15, использовался жидкий аммиак. Хотя он и не такой мощный, как другие виды топлива, он не оставляет сажи в многоразовом ракетном двигателе, а его плотность примерно соответствует плотности окислителя, жидкого кислорода, что упрощает конструкцию самолета.

В начале августа 2018 года ученые из Австралийской организации научных и промышленных исследований (CSIRO) объявили об успехе разработки процесса выделения водорода из аммиака и получения его сверхвысокой чистоты в качестве топлива для автомобилей. Для этого используется специальная мембрана. Эта технология используется в двух демонстрационных автомобилях на топливных элементах - Hyundai Nexo и Toyota Mirai . ^[89]

В 2020 году Саудовская Аравия отправила в Японию сорок тонн жидкого «голубого аммиака» для использования в качестве топлива. ^[90] Он был произведен как побочный продукт нефтехимической промышленности и может сжигаться без выделения парниковых газов . Его объемная плотность энергии почти вдвое больше, чем у жидкого водорода. Если процесс его создания может быть расширен за счет чисто возобновляемых ресурсов, производящих зеленый аммиак, это может иметь большое значение в предотвращении изменения климата . ^[91] Компания ACWA Power и город Неом объявили о строительстве завода по производству экологически чистого водорода и аммиака в 2020 году. ^[92]

Зеленый аммиак считается потенциальным топливом для будущих контейнеровозов. В 2020 году компании DSME и MAN Energy Solutions объявили о строительстве аммиачного корабля, DSME планирует коммерциализировать его к 2025 году ^[93].

Как стимулятор [ править ]

Аммиак, как пар, выделяемый нюхательными солями , нашел значительное применение в качестве стимулятора дыхания. Аммиак обычно используется при незаконном производстве метамфетамина путем сокращения выбросов Берез . ^[95] Метод Берча получения метамфетамина опасен, потому что щелочной металл и жидкий аммиак чрезвычайно реактивны, а температура жидкого аммиака делает его восприимчивым к взрывному кипению при добавлении реагентов. ^[96]

Текстиль [ править ]

Аммиак жидкий используется для обработки хлопчатобумажных материалов, придавая им свойства мерсеризации , с использованием щелочей. В частности, его используют для предварительной стирки шерсти. ^[97]

Подъемный газ [ править ]

При стандартной температуре и давлении аммиак менее плотен, чем атмосфера, и имеет примерно 45–48% подъемной силы водорода или гелия . Аммиак иногда использовался для наполнения метеозондов в качестве подъемного газа . Из-за его относительно высокой температуры кипения (по сравнению с гелием и водородом) аммиак потенциально может быть охлажден и сжижен на борту дирижабля для уменьшения подъемной силы и добавления балласта (и возвращен в газ для увеличения подъемной силы и уменьшения балласта).

Деревообработка [ править ]

Аммиак использовался для затемнения четвертичного белого дуба в декоративно-прикладном искусстве и мебели в стиле миссии. Пары аммиака вступают в реакцию с естественными дубильными веществами в древесине и вызывают ее изменение цвета. ^[98]

Меры предосторожности [ править ]

Управление по безопасности и гигиене труда США (OSHA) установило 15-минутный предел воздействия для газообразного аммиака 35 ppm по объему в окружающем воздухе и 8-часовой предел воздействия 25 ppm по объему. ^[100] Национальный институт по охране труда и здоровья (NIOSH) недавно сократили IDLH (Сразу опасно для жизни и здоровья, уровень , к которому здоровый работник может подвергаться в течение 30 минут , не испытывая необратимые последствия для здоровья) от 500 до 300 на основе о недавних, более консервативных интерпретациях оригинальных исследований в 1943 году. Другие организации имеют различные уровни воздействия. Стандарты ВМС США [US Bureau of Ships 1962] максимально допустимые концентрации (ПДК): непрерывное воздействие (60 дней): 25 частей на миллион / 1 час: 400 частей на миллион.^[101] Пары аммиака имеют резкий, раздражающий резкий запах, предупреждающий о потенциально опасном воздействии. Средний порог запаха составляет 5 частей на миллион, что намного ниже любой опасности или повреждения. Воздействие очень высоких концентраций газообразного аммиака может привести к повреждению легких и смерти. ^[100] Аммиак регулируется в США как негорючий газ, но он соответствует определению материала, который является токсичным при вдыхании и требует разрешения на использование опасных веществ при транспортировке в количествах более 13 248 л (3500 галлонов). ^[102]

Жидкий аммиак опасен, потому что он гигроскопичен и может вызвать ожоги щелочью . См. Газовоз § Влияние на здоровье определенных грузов, перевозимых на газовозах, для получения дополнительной информации.

Токсичность [ править ]

Токсичность растворов аммиака обычно не вызывает проблем для людей и других млекопитающих, поскольку существует специальный механизм, предотвращающий его накопление в кровотоке. Аммиак превращается в карбамоилфосфат ферментом карбамоилфосфатсинтетазой , а затем входит в цикл мочевины , где либо включается в аминокислоты, либо выводится с мочой. ^[103] Рыбы и земноводные лишены этого механизма, так как они обычно могут выводить аммиак из своего тела путем прямого выделения. Аммиак даже в разбавленных концентрациях очень токсичен для водных животных и по этой причине классифицируется как опасный для окружающей среды..

Аммиак входит в состав табачного дыма . ^[104]

Сточные воды коксования [ править ]

Аммиак присутствует в потоках сточных вод коксования как жидкий побочный продукт производства кокса из угля . ^[105] В некоторых случаях аммиак сбрасывается в морскую среду, где он действует как загрязнитель. В сталелитейном Уайалле в Южной Австралии являются одним из примеров коксового продуцирующего объекта , который выпускает аммиак в морскую воду. ^[106]

Аквакультура [ править ]

Считается, что токсичность аммиака является причиной необъяснимых иным образом потерь в рыбоводных заводах. Избыток аммиака может накапливаться и вызывать нарушение метаболизма или повышение pH тела подвергшегося воздействию организма. Переносимость зависит от вида рыб. ^[107] При более низких концентрациях, около 0,05 мг / л, неионизированный аммиак вреден для видов рыб и может привести к снижению темпов роста и конверсии корма, снижению плодовитости и плодовитости, а также к увеличению стресса и восприимчивости к бактериальным инфекциям и заболеваниям. ^[108] Под воздействием избытка аммиака у рыб может наблюдаться потеря равновесия, повышенная возбудимость, повышенная дыхательная активность и потребление кислорода, а также учащенное сердцебиение. ^[107]При концентрациях, превышающих 2,0 мг / л, аммиак вызывает повреждение жабр и тканей, крайнюю летаргию, судороги, кому и смерть. ^{[107] [109]} Эксперименты показали, что смертельная концентрация для различных видов рыб колеблется от 0,2 до 2,0 мг / л. ^[109]

Зимой, когда аквакультуре кормят меньше кормов, уровень аммиака может быть выше. Более низкие температуры окружающей среды снижают скорость фотосинтеза водорослей, поэтому любые присутствующие водоросли удаляют меньше аммиака. В среде аквакультуры, особенно в крупных масштабах, нет быстрого средства от повышенного уровня аммиака. Для уменьшения вреда, наносимого разводимой рыбе ^[109] и окружающей среде в открытых водоемах, рекомендуется профилактика, а не коррекция .

Информация о хранилище [ править ]

Как и пропан , безводный аммиак при атмосферном давлении кипит ниже комнатной температуры. Емкость для хранения, рассчитанная на давление 250  фунтов на квадратный дюйм (1,7  МПа ), подходит для хранения жидкости. ^[110] Аммиак используется во многих отраслях промышленности, требующих резервуаров для хранения из углеродистой или нержавеющей стали. Аммиак с содержанием воды не менее 0,2% по массе не вызывает коррозии углеродистой стали. Резервуары для хранения из углеродистой стали с NH3 с содержанием воды 0,2 процента или более могут прослужить более 50 лет. ^[111] Соединения аммония не должны контактировать с основаниями. (за исключением запланированной и сдерживаемой реакции), так как может выделяться опасное количество газообразного аммиака.

Бытовое использование [ править ]

Растворы аммиака (5–10% по весу) используются в качестве бытовых чистящих средств, особенно для стекла. Эти растворы раздражают глаза и слизистые оболочки (дыхательные пути и пищеварительный тракт) и, в меньшей степени, кожу. Следует проявлять осторожность, чтобы химическое вещество никогда не смешивалось с какой-либо жидкостью, содержащей отбеливатель, так как в результате может образоваться токсичный газ. При смешивании с хлорсодержащими продуктами или сильными окислителями, такими как бытовые отбеливатели , могут образовываться хлорамины . ^[112]

Лабораторное использование растворов аммиака [ править ]

Опасность растворов аммиака зависит от концентрации: «разбавленные» растворы аммиака обычно составляют 5–10% по весу (<5,62 моль / л); «концентрированные» растворы обычно готовят с концентрацией> 25% по весу. 25% -ный (по весу) раствор имеет плотность 0,907 г / см ³ , а раствор с более низкой плотностью будет более концентрированным. Европейский союз классификации растворов аммиака приведена в таблице.

Пары аммиака из концентрированных растворов аммиака сильно раздражают глаза и дыхательные пути, и с этими растворами следует обращаться только в вытяжном шкафу. Насыщенные («0,880» - см. # Свойства ) растворы могут создавать значительное давление внутри закрытой бутылки в теплую погоду, поэтому бутылку следует открывать осторожно; обычно это не проблема для 25% («0,900») решений.

Растворы аммиака нельзя смешивать с галогенами , поскольку образуются токсичные и / или взрывоопасные продукты. Продолжительный контакт растворов аммиака с солями серебра , ртути или йодида также может привести к образованию взрывоопасных продуктов: такие смеси часто образуются при качественном неорганическом анализе , и их следует слегка подкисить, но не концентрировать (<6% мас. / Об.) Перед утилизацией после испытания. завершено.

Лабораторное использование безводного аммиака (газообразного или жидкого) [ править ]

Безводный аммиак классифицируется как токсичный ( T ) и опасный для окружающей среды ( N ). Газ легко воспламеняется ( температура самовоспламенения : 651 ° C) и может образовывать взрывоопасные смеси с воздухом (16–25%). Допустимый предел воздействия (PEL) в Соединенных Штатах составляет 50  частей на миллион (35 мг / м ³ ), в то время как IDLH концентрация оценивается в 300 частей на миллион. Повторное воздействие аммиака снижает чувствительность к запаху газа: обычно запах обнаруживается при концентрациях менее 50 частей на миллион, но люди с пониженной чувствительностью могут не обнаружить его даже при концентрациях 100 частей на миллион. Безводный аммиак разъедает медь - и цинк отработанныхсплавы и, следовательно, латунные фитинги не должны использоваться для работы с газом. Жидкий аммиак также может разрушать резину и некоторые пластмассы.

Аммиак бурно реагирует с галогенами. Трииодид азота , основное взрывчатое вещество , образуется при контакте аммиака с йодом . Аммиак вызывает взрывную полимеризацию из окиси этилена . Оно также образует взрывчатые взрывчатости соединения с соединениями золота , серебро , ртуть , германия или теллур , а также с Стибином . Сообщалось также о бурных реакциях с ацетальдегидом , растворами гипохлорита , феррицианидом калия.и пероксиды .

Синтез и производство [ править ]

Аммиак является одним из наиболее производимых неорганических химикатов, мировое производство которого составило 175 миллионов тонн в 2018 году. ^{[13] На} долю Китая приходилось 28,5% этого объема, за ним следуют Россия с 10,3%, США с 9,1% и Индия с 6,7%. %. ^[13]

Перед началом Первой мировой войны большая часть аммиака была получена путем сухой перегонки ^[113] азотистых продуктов растительных и животных отходов, включая верблюжий навоз , где он перегонялся путем восстановления азотистой кислоты и нитритов водородом; кроме того, он был получен при перегонке угля , а также при разложении солей аммония щелочными гидроксидами ^[114], такими как негашеная известь : ^[115]

Для мелкомасштабного лабораторного синтеза можно нагреть мочевину и гидроксид кальция :

Процесс Габера-Боша [ править ]

В массовом производстве аммиака в основном используется процесс Габера – Боша , газофазная реакция между водородом (H ₂ ) и азотом (N ₂ ) при умеренно повышенной температуре (450 ° C) и высоком давлении (100 стандартных атмосфер (10 МПа). ): ^[116]

${\ displaystyle {\ ce {N2 + 3 H2 -> 2 NH3}} \ quad \ Delta H ^ {\ circ} = - 91,8 ~ {\ text {кДж / моль}}}$

Эта реакция является экзотермической и приводит к пониженной энтропии, что означает, что реакция протекает при более низких температурах ^[117] и более высоких давлениях. ^[118] Это делает его трудным и дорогостоящим, поскольку более низкие температуры приводят к более медленной кинетике реакции (следовательно, к более медленной скорости реакции ) ^[119], а для высокого давления требуются высокопрочные сосуды высокого давления ^[120] , которые не ослаблены водородным охрупчиванием. . Кроме того, двухатомный азот связан исключительно прочной тройной связью , что делает его довольно инертным. ^[121]Как выход, так и эффективность процесса Габера-Боша низкие, а это означает, что произведенный аммиак необходимо непрерывно отделять и извлекать, чтобы реакция протекала с заметной скоростью. ^{[122] В} сочетании с энергией, необходимой для производства водорода ^{[примечание 1]} и очищенного атмосферного азота, производство аммиака является очень энергоемким процессом, потребляющим от 1 до 2% мировой энергии, 3% глобальных выбросов углерода, ^[124] и От 3 до 5% потребления природного газа. ^[125]

Аммиак жидкий как растворитель [ править ]

Жидкий аммиак - самый известный и наиболее широко изученный неводный ионизирующий растворитель. Его наиболее заметным свойством является его способность растворять щелочные металлы с образованием сильно окрашенных, электропроводящих растворов, содержащих сольватированные электроны . Помимо этих замечательных решений, большую часть химического состава жидкого аммиака можно классифицировать по аналогии с соответствующими реакциями в водных растворах. Сравнение физических свойств NH ₃ со свойствами воды показывает, что NH ₃ имеет более низкую температуру плавления, температуру кипения, плотность, вязкость , диэлектрическую постоянную и электропроводность ; это связано, по крайней мере частично, с более слабой водородной связью в NH ₃и поскольку такое связывание не может образовывать поперечно-сшитые сети, поскольку каждая молекула NH ₃ имеет только одну неподеленную пару электронов по сравнению с двумя для каждой молекулы H ₂ O. Константа ионной самодиссоциации жидкого NH ₃ при -50 ° C составляет около 10 ^-33 .

Растворимость солей [ править ]

Жидкий аммиак является ионизирующим растворителем, хотя и в меньшей степени , чем вода, и раствора ет спектр ионных соединений, в том числе многих нитратов , нитритов , цианидов , тиоцианатов , металл циклопентадиенильных комплексов и металлы бис (триметилсилили) амиду . ^[126] Большинство солей аммония растворимы и действуют как кислоты в жидких растворах аммиака. Растворимость галогенидных солей увеличивается от фторида к йодиду . Насыщенный раствор нитрата аммония ( Водолазный раствор , названный в честь Эдварда Дайверса.) содержит 0,83 моля растворенного вещества на моль аммиака и имеет давление пара менее 1 бар даже при 25 ° C (77 ° F).

Растворы металлов [ править ]

Жидкий аммиак растворяет все щелочные металлы и другие электроположительные металлы, такие как Ca , ^[127] Sr , Ba , Eu и Yb (также Mg с использованием электролитического процесса ^[128] ). При низких концентрациях (<0,06 моль / л) образуются темно-синие растворы: они содержат катионы металлов и сольватированные электроны , свободные электроны, окруженные клеткой из молекул аммиака.

Эти растворы очень полезны в качестве сильных восстановителей. При более высоких концентрациях растворы имеют металлический вид и электрическую проводимость. При низких температурах оба типа растворов могут сосуществовать как несмешивающиеся фазы.

Редокс-свойства жидкого аммиака [ править ]

Диапазон термодинамической стабильности жидких растворов аммиака очень узок, поскольку потенциал окисления до диазота, E ° (N ₂ + 6NH ₄ ⁺ + 6e ^- 8NH ₃ ), составляет всего +0,04 В. На практике оба окисления до диазот и восстановление до дигидрогена протекают медленно. Это особенно верно в отношении восстанавливающих растворов: растворы упомянутых выше щелочных металлов стабильны в течение нескольких дней, медленно разлагаясь до амида металла.и дигидроген. Большинство исследований с использованием жидких растворов аммиака проводится в восстановительных условиях; хотя окисление жидкого аммиака обычно происходит медленно, все же существует риск взрыва, особенно если ионы переходных металлов присутствуют в качестве возможных катализаторов.

Роль аммиака в биологических системах и болезнях человека [ править ]

Аммиак - это как отходы метаболизма, так и входящий в метаболизм биосферы . Это важный источник азота для живых систем. Хотя атмосферный азот изобилует (более 75%), немногие живые существа способны использовать этот атмосферный азот в его двухатомной форме, газообразном N ₂ . Следовательно, азотфиксация необходима для синтеза аминокислот, которые являются строительными блоками белка . Некоторые растения зависят от аммиака и других азотистых отходов, попадающих в почву в результате разложения. Другие, например, азотфиксирующие бобовые , получают выгоду от симбиотических отношений с ризобиями.которые создают аммиак из атмосферного азота. ^[130]

Биосинтез [ править ]

В некоторых организмах аммиак производится из атмосферного азота ферментами, называемыми нитрогеназами . Общий процесс называется азотфиксацией . Интенсивные усилия были направлены на понимание механизма биологической фиксации азота; Научный интерес к этой проблеме обусловлен необычной структурой активного центра фермента, который состоит из ансамбля Fe ₇ MoS ₉ . ^[131]

Аммиак также метаболический продукт аминокислоты дезаминирования , катализируемых ферменты , такие , как глутамат дегидрогеназы 1 . Выделение аммиака часто встречается у водных животных. У людей он быстро превращается в мочевину , которая гораздо менее токсична, особенно менее щелочная . Эта мочевина является основным компонентом сухой массы мочи . Большинство рептилий, птиц, насекомых и улиток выделяют мочевую кислоту исключительно в виде азотистых отходов.

В физиологии [ править ]

Аммиак также играет роль как в нормальной, так и в аномальной физиологии животных . Он биосинтезируется посредством нормального метаболизма аминокислот и токсичен в высоких концентрациях. Печени преобразует аммиак в мочевину через ряд реакций , известных как цикл мочевины . Дисфункция печени, например, при циррозе , может привести к повышению уровня аммиака в крови ( гипераммониемия ). Точно так же дефекты ферментов, ответственных за цикл мочевины, таких как орнитин-транскарбамилаза , приводят к гипераммониемии. Hyperammonemia способствует путанице и комы из печеночной энцефалопатии, а также неврологическое заболевание, распространенное у людей с дефектами цикла мочевины и органической ацидурией . ^[132]

Аммиак важен для нормального кислотно-щелочного баланса животных. После образования аммиака из глутамина , α-кетоглутарат может быть снижен для получения два бикарбоната ионов, которые затем доступны в качестве буферов для пищевых кислот. Аммоний выводится с мочой, что приводит к чистой потере кислоты. Аммиак может сам диффундировать по почечным канальцам, соединяться с ионом водорода и, таким образом, способствовать дальнейшему выведению кислоты. ^[133]

Экскреция [ править ]

Ионы аммония являются токсичными отходами продуктом метаболизма в животных . У рыб и водных беспозвоночных он выделяется непосредственно в воду. У млекопитающих, акул и амфибий он превращается в цикле мочевины в мочевину , поскольку он менее токсичен и может храниться более эффективно. У птиц, рептилий и наземных улиток метаболический аммоний превращается в мочевую кислоту , которая является твердой и поэтому может выводиться с минимальными потерями воды. ^[134]

В астрономии [ править ]

Аммиак был обнаружен в атмосферах планет-гигантов , включая Юпитер , наряду с другими газами, такими как метан, водород и гелий . Внутри Сатурна могут быть замороженные кристаллы аммиака. ^[135] Он естественным образом встречается на Деймосе и Фобосе - двух лунах Марса .

Межзвездное пространство [ править ]

Аммиак был впервые обнаружен в межзвездном пространстве в 1968 году на основе микроволнового излучения со стороны ядра галактики . ^[136] Это была первая многоатомная молекула, обнаруженная таким образом. Чувствительность молекулы к широкому диапазону возбуждений и легкость, с которой ее можно наблюдать в ряде областей, сделали аммиак одной из самых важных молекул для изучения молекулярных облаков . ^[137] Относительная интенсивность линий аммиака может использоваться для измерения температуры излучающей среды.

Обнаружены следующие изотопные формы аммиака:

Обнаружение трижды дейтерированного аммиака было сочтено неожиданностью, поскольку дейтерия относительно мало. Считается, что низкие температуры позволяют этой молекуле выживать и накапливаться. ^[138]

С момента своего межзвездного открытия NH ₃ оказался бесценным спектроскопическим инструментом в изучении межзвездной среды. Благодаря большому количеству переходов, чувствительных к широкому диапазону условий возбуждения, NH ₃ широко астрономически обнаружен - о его обнаружении сообщалось в сотнях журнальных статей. Ниже приведен образец журнальных статей, в которых освещается диапазон детекторов, которые использовались для идентификации аммиака.

Изучение межзвездного аммиака было важным для ряда областей исследований в последние несколько десятилетий. Некоторые из них описаны ниже и в основном связаны с использованием аммиака в качестве межзвездного термометра.

Механизмы межзвездного образования [ править ]

Межзвездное содержание аммиака было измерено в различных средах. Отношение [NH ₃ ] / [H ₂ ] оценивается в диапазоне от 10 ^-7 в небольших темных облаках ^[139] до 10 ^-5 в плотном ядре комплекса молекулярных облаков Ориона . ^[140] Хотя в общей сложности было предложено 18 полных путей производства, ^[141] основным механизмом образования межзвездного NH ₃ является реакция:

Константа скорости, k , этой реакции зависит от температуры окружающей среды и составляет 5,2 × 10 ^-6 при 10 К. ^[142] Константа скорости была рассчитана по формуле . Для реакции первичного образования a  = ${\ Displaystyle к = а (Т / 300) ^ {В}}$1,05 × 10 ⁻⁶ и B  = −0,47 . Если предположить, что содержание NH ₄ ⁺ составляет 3 × 10 ^−7, а содержание электронов составляет 10 ^−7, типичное для молекулярных облаков, формирование будет происходить со скоростью1,6 × 10 ⁻⁹  см ⁻³ с ⁻¹ в молекулярном облаке полной плотности10 ⁵  см ⁻³ . ^[143]

Все другие предложенные реакции образования имеют константы скорости на 2-13 порядков меньше, что делает их вклад в содержание аммиака относительно незначительным. ^[144] В качестве примера незначительного вклада, который играют другие реакции пласта, реакция:

имеет константу скорости 2,2 × 10 ^-15 . Предполагая, что плотности H ₂ составляют 10 ⁵ и соотношение [NH ₂ ] / [H ₂ ] составляет 10 ^-7 , эта реакция протекает со скоростью 2,2 × 10 ^-12 , что более чем на 3 порядка медленнее, чем первичная реакция, описанная выше.

Вот некоторые из других возможных реакций образования:

Механизмы межзвездного разрушения [ править ]

Всего предлагается 113 реакций, ведущих к разрушению NH ₃ . Из них 39 были включены в обширные таблицы химического состава соединений C, N и O. ^[145] Обзор межзвездного аммиака приводит следующие реакции как основные механизмы диссоциации: ^[137]

с константами скорости 4.39 · 10 ^{−9 [146]} и 2.2 · 10 ⁻⁹ , ^[147] соответственно. Вышеупомянутые уравнения ( 1 , 2 ) выполняются со скоростью 8,8 × 10 ^-9 и 4,4 × 10 ^-13 , соответственно. В этих расчетах предполагались заданные константы скорости и содержания [NH ₃ ] / [H ₂ ] = 10 ⁻⁵ , [H ₃ ⁺ ] / [H ₂ ] = 2 × 10 ⁻⁵ , [HCO ⁺ ] / [H ₂ ]] = 2 × 10 ⁻⁹ , а полная плотность n = 10 ⁵, типичный для холодных плотных молекулярных облаков. ^[148] Очевидно, что между этими двумя первичными реакциями уравнение ( 1 ) является доминирующей реакцией разрушения, скорость которой в ≈10 000 раз выше, чем у уравнения ( 2 ). Это происходит из - за относительно высокой численности H ₃ ⁺ .

Обнаружения одиночной антенны [ править ]

Радионаблюдения за NH ₃ с помощью 100-м радиотелескопа Эффельсберга показывают, что линия аммиака разделена на две составляющие - фоновый гребень и неразрешенное ядро. Фон хорошо соответствует местоположениям, ранее обнаруженным CO. ^[149] 25-метровый телескоп Чилболтон в Англии обнаружил радиосигналы аммиака в областях H II , мазеры HNH ₂ O , объекты HH и другие объекты, связанные со звездообразованием. Сравнение ширины эмиссионных линий показывает, что турбулентные или систематические скорости не увеличиваются в центральных ядрах молекулярных облаков. ^[150]

Микроволновое излучение аммиака наблюдалось в нескольких галактических объектах, включая W3 (OH), Orion A , W43, W51 и пять источников в центре галактики. Высокая частота обнаружения указывает на то, что это обычная молекула в межзвездной среде и что области с высокой плотностью являются обычными в галактике. ^[151]

Интерферометрические исследования [ править ]

VLA наблюдения NH ₃ в семи регионах с высокой скорости газовых оттоков показали сгущения менее 0,1 пс в L1551, S140, и Цефея A . У Cepheus A обнаружены три отдельных сгущения, одно из которых имеет сильно вытянутую форму. Они могут сыграть важную роль в создании биполярного оттока в регионе. ^[152]

Изображение внегалактического аммиака было получено с помощью VLA в IC 342 . Горячий газ имеет температуру выше 70 К, что было определено из соотношений линий аммиака и, по-видимому, тесно связано с самыми внутренними частями ядерной перемычки, наблюдаемой в CO. ^[153] NH ₃ также контролировался VLA в отношении образца из четырех галактических сверхкомпактные области HII: G9.62 + 0.19, G10.47 + 0.03, G29.96-0.02 и G31.41 + 0.31. Основываясь на диагностике температуры и плотности, можно сделать вывод, что в целом такие сгустки, вероятно, являются местами массивного звездообразования на ранней стадии эволюции до образования сверхкомпактной области HII. ^[154]

Инфракрасные обнаружения [ править ]

Поглощение твердым аммиаком на расстоянии 2,97 мкм было зарегистрировано межзвездными зернами в объекте Беклина-Нойгебауэра и, вероятно, также в NGC 2264-IR. Это обнаружение помогло объяснить физическую форму ранее плохо изученных и связанных линий поглощения льда. ^[155]

Спектр диска Юпитера был получен из воздушной обсерватории Койпера , охватывающий спектральный диапазон от 100 до 300 см ^-1 . Анализ спектра дает информацию о глобальных средних свойствах газообразного аммиака и аммиачной ледяной дымки. ^[156]

Всего было исследовано 149 положений темных облаков на предмет наличия «плотных ядер» с использованием вращающейся линии инверсии NH ₃ (J, K) = (1,1) . Как правило, сердечники не имеют сферической формы с соотношением сторон от 1,1 до 4,4. Также обнаружено, что ядра со звездами имеют более широкие линии, чем ядра без звезд. ^[157]

Аммиак был обнаружен в туманности Дракон и в одном или, возможно, двух молекулярных облаках, которые связаны с высокоширотными галактическими инфракрасными перистыми облаками . Открытие важно, потому что они могут представлять собой места рождения звезд B-типа металличности населения I в галактическом гало, которые могли быть рождены в галактическом диске. ^[158]

Наблюдения за ближайшими темными облаками [ править ]

Уравновешивая и стимулированное излучение со спонтанным излучением, можно построить соотношение между температурой возбужденияи плотность. Более того, поскольку переходные уровни аммиака могут быть аппроксимированы двухуровневой системой при низких температурах, этот расчет довольно прост. Это предположение может быть применено к темным облакам, регионам, предположительно имеющим чрезвычайно низкие температуры, и возможным местам для будущего звездообразования. Обнаружение аммиака в темных облаках показывает очень узкие линии, указывающие не только на низкие температуры, но и на низкий уровень турбулентности внутри облака. Расчет отношения линий обеспечивает измерение температуры облака, которое не зависит от предыдущих наблюдений за CO. Наблюдения за аммиаком согласовывались с измерениями CO при температурах вращения ≈10 К. С его помощью можно определить плотности, которые были рассчитаны в диапазоне от 10 ⁴ до 10 ⁵ см ^-3.в темных облаках. Картирование NH ₃ дает типичные размеры облаков 0,1 пк и массу около 1 солнечной массы. Эти холодные плотные ядра - места будущего звездообразования.

UC HII регионы [ править ]

Сверхкомпактные области HII являются одними из лучших индикаторов звездообразования большой массы. Плотный материал, окружающий области UCHII, вероятно, в основном молекулярный. Поскольку полное изучение массивного звездообразования обязательно включает облако, из которого образовалась звезда, аммиак является неоценимым инструментом в понимании этого окружающего молекулярного материала. Поскольку этот молекулярный материал может быть пространственно разрешен, можно ограничить источники нагрева / ионизации, температуры, массы и размеры областей. Компоненты скорости с доплеровским смещением позволяют разделить отдельные области молекулярного газа, которые могут отслеживать истечения и горячие ядра, возникающие из формирующихся звезд.

Внегалактическое обнаружение [ править ]

Аммиак был обнаружен во внешних галактиках ^{[159] [160],} и, одновременно измеряя несколько линий, можно напрямую измерить температуру газа в этих галактиках. Соотношения линий означают, что температура газа теплая (≈50 К), происходящая из плотных облаков размером в десятки пк. Эта картина согласуется с картиной в нашей галактике Млечный Путь - горячие плотные молекулярные ядра формируются вокруг вновь формирующихся звезд, погруженных в более крупные облака молекулярного материала в масштабе нескольких сотен пк (гигантские молекулярные облака; GMC).

См. Также [ править ]

• Аммиак (страница данных)
• Аммиачный фонтан  - вид химической демонстрации
• Производство аммиака
• Раствор аммиака  - химическое соединение
• Стоимость электроэнергии по источникам  - Сравнение затрат на разные источники производства электроэнергии
• Формовочный газ  - смесь водорода и азота
• Процесс Габера  - основной процесс производства аммиака
• Гидразин  - бесцветная легковоспламеняющаяся жидкость с запахом аммиака.
• Очистка воды  - процесс удаления из воды нежелательных химикатов, биологических загрязнителей, взвешенных частиц.

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Цитированные работы [ править ]

• «Аква Аммиак» . airgasspecialtyproducts.com. Архивировано из оригинального 19 ноября 2010 года . Проверено 28 ноября 2010 года .
•  Эта статья включает текст из публикации, которая сейчас находится в открытом доступе :  Chisholm, Hugh, ed. (1911). « Аммиак ». Encyclopdia Britannica . 1 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 861–863.
• Кларк, Джим (апрель 2013 г.) [2002]. «ХАБЕРОВСКИЙ ПРОЦЕСС» . Проверено 15 декабря 2018 .

Дальнейшее чтение [ править ]

• Бретерик, Л., изд. (1986). Опасности в химической лаборатории (4-е изд.). Лондон: Королевское химическое общество. ISBN 978-0-85186-489-1. OCLC  16985764 .
• Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
• Housecroft, CE; Шарп, AG (2000). Неорганическая химия (1-е изд.). Нью-Йорк: Прентис-Холл. ISBN 978-0-582-31080-3.
• Weast, RC, ed. (1972). Справочник по химии и физике (53-е изд.). Кливленд, Огайо: Chemical Rubber Co.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме аммиака .

• Международная карта химической безопасности 0414 (безводный аммиак), ilo.org.
• Международная карта химической безопасности 0215 (водные растворы), ilo.org.
• CID 222 от PubChem
• «Ammoniac et solutions aqueuses» (на французском языке). Institut National de Recherche et de Sécurité. Архивировано из оригинала 11 декабря 2010 года.
• Экстренное реагирование на выбросы (разливы) аммиачных удобрений для Министерства сельского хозяйства Миннесоты. Ammoniaspills.org
• Национальный институт охраны труда и здоровья - страница Ammonia Page , cdc.gov
• Карманный справочник NIOSH по химической опасности - аммиак , cdc.gov
• Аммиак, видео