Аммиак - Ammonia

Аммиак

Имена
Имена ИЮПАК Аммиак [1] тригидридоназот тригидрид азота
Другие имена Азан (предназначен только для использования в названии производных аммиака) 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
Панель управления CompTox (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	NH3
Молярная масса	17,031 г / моль
Внешность	Бесцветный газ
Запах	сильный резкий запах
Плотность	0,86 кг / м3 (1,013 бар при температуре кипения) 0,769 кг / м3 (STP)[2] 0,73 кг / м3 (1,013 бар при 15 ° C) 681,9 кг / м3 при -33,3 ° C (жидкость)[3] Смотрите также Аммиак (страница данных) 817 кг / м3 при −80 ° C (прозрачное твердое вещество)[4]
Температура плавления	-77,73 ° С (-107,91 ° F, 195,42 К) (Тройная точка при 6,060 кПа, 195,4 К)
Точка кипения	-33,34 ° С (-28,01 ° F, 239,81 К)
Критическая точка (Т, п)	132,4 ° C (405,5 K), 111,3 атм (11280 кПа)
Растворимость в воде	47% по массе (0 ° C) 31% по массе (25 ° C) 18% по массе (50 ° C)[5]
Растворимость	растворим в хлороформ, эфир, этиловый спирт, метанол
Давление газа	857,3 кПа
Кислотность (пKа)	32,5 (-33 ° С),[6] 10,5 (ДМСО)
Основность (пKб)	4.75
Конъюгированная кислота	Аммоний
Основание конъюгата	Амид
Магнитная восприимчивость (χ)	−18.0·10−6 см3/ моль
Показатель преломления (пD)	1.3327
Вязкость	10,07 мкПа · с (25 ° C)[7] 0,276 мПа · с (-40 ° C)
Структура
Группа точек	C3в
Молекулярная форма	Тригональная пирамида
Дипольный момент	1.42 D
Термохимия
Стандартный моляр энтропия (Sо298)	193 Дж · моль−1· K−1[8]
Станд. Энтальпия формирование (ΔжЧАС⦵298)	−46 кДж · моль−1[8]
Опасности
Паспорт безопасности	Видеть: страница данных ICSC 0414 (безводный)
Пиктограммы GHS	[9]
Сигнальное слово GHS	Опасность
Положения об опасности GHS	H290, H301, H311, H314, H330, H334, H336, H360, H362, H373, H400
Меры предосторожности GHS	P202, P221, P233, P261, P263, P271, P273, P280, P305 + 351 + 338, P310[9]
NFPA 704 (огненный алмаз)	1 3 0 COR
точка возгорания	132
Самовоспламенение температура	651 ° С (1204 ° F, 924 К)
Пределы взрываемости	15–28%
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
LD50 (средняя доза )	0,015 мл / кг (человек, перорально)
LC50 (средняя концентрация )	40 300 частей на миллион (крыса, 10 мин) 28 595 частей на миллион (крыса, 20 мин) 20 300 частей на миллион (крыса, 40 мин) 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]
LCLo (самый низкий опубликованный )	5000 частей на миллион (млекопитающее, 5 мин) 5000 частей на миллион (человек, 5 мин)[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 СТЭЛ )
REL (Рекомендуемые)	TWA 25 частей на миллион (18 мг / м3) ST 35 частей на миллион (27 мг / м3)
IDLH (Непосредственная опасность)	300 частей на миллион
Родственные соединения
Другой катионы	Фосфин Арсин Стибин Висмутин
Родственные гидриды азота	Гидразин Гидразойная кислота
Родственные соединения	Гидроксид аммония
Страница дополнительных данных
Структура и характеристики	Показатель преломления (п), Диэлектрическая постоянная (εр), так далее.
Термодинамический данные	Фазовое поведение твердое тело – жидкость – газ
Спектральные данные	УФ, ИК, ЯМР, РС
Если не указано иное, данные для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Y проверять (что YN ?)
Ссылки на инфобоксы

Аммиак это сложный из азот и водород с формула NH₃. А стабильный бинарный гидрид, и простейший гидрид пниктогена, аммиак - бесцветный газ с характерным резким запахом. Это обычное азотные отходы, особенно среди водных организмов, и вносит значительный вклад в питательный потребности земных организмов, служа предшественником еда и удобрения. Аммиак, прямо или косвенно, также является строительным блоком для синтеза многих фармацевтические продукты и используется во многих коммерческих чистящих средствах. Он в основном собирается путем вытеснения воздуха и воды вниз.

Хотя обычное явление в природе - как на земле, так и в внешние планеты из Солнечная система - и широко используется аммиак одновременно едкий и опасный в концентрированном виде. Классифицируется как чрезвычайно опасное вещество в Соединенных Штатах и ​​подчиняется строгим требованиям отчетности предприятий, которые производят, хранят или используют его в значительных количествах.^[12]

Мировое промышленное производство аммиака в 2018 году составило 175 млн тонн,^[13] без существенных изменений по сравнению с мировым объемом промышленного производства в 175 млн тонн в 2013 году.^[14] Технический аммиак продается как аммиачный раствор (обычно 28% аммиака в воде) или в виде сжатого или охлажденного безводного жидкого аммиака, перевозимого в цистернах или баллонах.^[15]

NH₃ кипит при -33,34 ° C (-28,012 ° F) при давлении один атмосфера, поэтому жидкость необходимо хранить под давлением или при низкой температуре. Бытовой аммиак или гидроксид аммония является решением NH₃ в воде. Концентрация таких растворов измеряется в единицах измерения Шкала Боме (плотность ), с 26 градусами Боме (около 30% (по массе) аммиака при 15,5 ° C или 59,9 ° F), что является типичным коммерческим продуктом с высокой концентрацией.^[16]

Этимология

Плиний в книге XXXI его Естественная история, относится к соли, производимой в римской провинции Киренаика названный Hammoniacum, названный так из-за близости к близлежащему Храму Юпитер Амун (Греческий Ἄμμων Аммон).^[17] Однако описание этой соли Плинием не соответствует свойствам хлорида аммония. В соответствии с Герберта Гувера комментарий в его английском переводе Георгиуса Агриколы De re Metallica, скорее всего, это была обычная морская соль.^[18] В любом случае, эта соль в конечном итоге дала аммиак и аммоний составляет их имя.

Естественное явление

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 (нашатырь ), и сульфат аммония находятся в вулканических районах; кристаллы бикарбонат аммония были найдены в Патагония гуано.^[19] В почки выделяют аммиак, чтобы нейтрализовать избыток кислоты.^[20] Соли аммония распространяются через плодородную почву и в морскую воду.

Аммиак также встречается во всем Солнечная система на Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, и Плутон, среди прочего: на меньших, ледяных тела например, Плутон, аммиак может действовать как геологически важный антифриз, так как смесь воды и аммиака может иметь температуру плавления 173 К (-100 ° C; -148 ° F), если концентрация аммиака достаточно высока и, следовательно, позволяют таким телам сохранять внутренние океаны и активную геологию при гораздо более низкой температуре, чем это было бы возможно с одной только водой.^[21][22] Вещества, содержащие аммиак или аналогичные ему, называются аммиачный.

Характеристики

Аммиак - бесцветный газ с характерным резким запахом. это легче воздуха, его плотность в 0,589 раза больше, чем у воздуха. Легко разжижается благодаря сильному водородная связь между молекулами; то 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 с бикарбонат натрия или же уксусная кислота. Обе эти реакции образуют соль аммония без запаха.

Твердый

Симметрия кристалла кубическая, Символ Пирсона cP16, космическая группа P2₁3 №198, постоянная решетки 0,5125нм.^[23]

Жидкость

Жидкость аммиак обладает сильным ионизирующий силы, отражающие его высокие ε из 22. Жидкий аммиак имеет очень высокую стандартное изменение энтальпии испарения (23.35 кДж / моль, ср. воды 40,65 кДж / моль, метан 8,19 кДж / моль, фосфин 14,6 кДж / моль) и поэтому может использоваться в лабораториях в неизолированных сосудах без дополнительного охлаждения. Видеть жидкий аммиак в качестве растворителя.

Свойства растворителя

Аммиак легко растворяется в воде. В водном растворе его можно выгнать кипячением. В водный раствор аммиака базовый. Максимальная концентрация аммиака в воде (a насыщенный раствор ) имеет плотность 0,880 г / см³ и часто известен как «аммиак 0,880».

Горение

Аммиак не горит быстро и не выдерживает горение, кроме узких топливовоздушных смесей с содержанием воздуха 15–25%. При смешивании с кислород, горит бледным желтовато-зеленым пламенем. Возгорание происходит при хлор переходит в аммиак, образуя азот и хлористый водород; если хлор присутствует в избытке, то взрывоопасный трихлорид азота (NCl₃) тоже образуется.

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, с образованием газообразного водорода и азота. Аммиак также может использоваться в качестве источника водорода для кислотных топливных элементов, если непрореагировавший аммиак может быть удален. Катализаторы из рутения и платины оказались наиболее активными, тогда как катализаторы из никеля на носителе были менее активными.

Структура

Молекула аммиака имеет тригонально-пирамидальный форма, как предсказано валентная оболочка теория отталкивания электронных пар (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 в качестве пар связей, что оставляет одну одинокая 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 это полярный. Полярность молекулы и особенно ее способность образовывать водородные связи, делает аммиак легко смешиваемым с водой. Одинокая пара превращает аммиак в основание, акцептор протона. 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), 99,4% молекул аммиака будут протонированный. Температура и соленость также влияют на долю NH₄⁺. Последний имеет форму регулярного тетраэдр и является изоэлектронный с метан.

Молекула аммиака легко подвергается азотная инверсия при комнатной температуре; полезная аналогия - это зонтик вывернувшись наизнанку на сильном ветру. Энергетический барьер этой инверсии составляет 24,7 кДж / моль, а резонансная частота составляет 23,79 ГГц, соответствующий микроволновая печь излучение длина волны 1,260 см. Поглощение на этой частоте было первым микроволновый спектр быть замеченным.^[25]

Амфотеричность

Одним из наиболее характерных свойств аммиака является его основность. Аммиак считается слабым основанием. Он сочетается с кислоты формировать соли; таким образом с соляная кислота это формирует хлорид аммония (нашатырь); с азотная кислота, нитрат аммония и т. д. Идеально сухой аммиак не сочетается с совершенно сухим хлористый водород; влажность необходима, чтобы вызвать реакцию.^[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 диффузных облака молекул, где-то между двумя бутылками.

Соли, образующиеся при действии аммиака на кислоты, известны как соли аммония и все содержат ион аммония (NH₄⁺).^[26]

Хотя аммиак хорошо известен как слабое основание, он также может действовать как чрезвычайно слабая кислота. Это протонное вещество, способное образовывать амиды (содержащие NH₂⁻ ион). Например, литий растворяется в жидком аммиаке с образованием раствора амид лития:

Самодиссоциация

Как и вода, жидкий аммиак подвергается молекулярная автоионизация сформировать свой кислотные и основные конъюгаты:

Аммиак часто действует как слабая база, так что в нем есть буферизация способность. Сдвиги pH вызовут больше или меньше аммоний катионы (NH⁺
₄) и амидные анионы (NH⁻
₂) присутствовать в решение. При стандартном давлении и температуре K = [NH⁺
₄][NH⁻
₂] = 10⁻³⁰

Горение

Сжигание аммиака до азота и воды происходит. экзотермический:

В стандартное изменение энтальпии сгорания, ΔЧАС°_c, выраженное в крот аммиака и с конденсацией образовавшейся воды составляет -382,81 кДж / моль. Динитроген - это термодинамический продукт сгорания: все оксиды азота неустойчивы относительно N₂ и O₂, что является принципом каталитический нейтрализатор. Оксиды азота могут образовываться в виде кинетических продуктов в присутствии подходящих катализаторов, и эта реакция имеет большое промышленное значение при производстве азотная кислота:

Последующая реакция приводит к NO₂:

Сжигание аммиака на воздухе очень трудно без катализатора (например, платина марлевые или теплые оксид хрома (III) ) из-за относительно низкой теплоты сгорания, более низкой скорости ламинарного горения, высокой температуры самовоспламенения, высокой теплоты испарения и узкого диапазона 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 воспламенения 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

В органическая химия, аммиак может действовать как нуклеофил в замена реакции. Амины может образоваться при реакции аммиака с алкилгалогениды, хотя полученный -NH₂ группа также является нуклеофильной, и вторичные и третичные амины часто образуются как побочные продукты. Избыток аммиака помогает свести к минимуму множественное замещение и нейтрализует галогенид водорода сформирован. Метиламин получают в промышленных масштабах реакцией аммиака с хлорметан, а реакция аммиака с 2-бромпропановой кислотой была использована для получения рацемический аланин с доходностью 70%. Этаноламин готовится по реакции раскрытия кольца с окись этилена: иногда реакция может пойти дальше, чтобы произвести диэтаноламин и триэтаноламин.

Амиды может быть получен реакцией аммиака с карбоновая кислота производные. Ацилхлориды являются наиболее реактивными, но аммиак должен присутствовать как минимум в двукратном избытке, чтобы нейтрализовать хлористый водород сформирован. Сложные эфиры и ангидриды также реагируют с аммиаком с образованием амидов. Аммониевые соли карбоновых кислот могут быть обезвоженный до амидов, если отсутствуют термочувствительные группы: требуется температура 150–200 ° C.

Водород в аммиаке подвержен замене множеством заместителей. При нагревании с натрий превращается в содамид, NaNH₂.^[26] С хлором, монохлорамин сформирован.

Пятивалентный аммиак известен как λ⁵-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 исследовалось как возможное твердое ракетное топливо в 1966 году.^[31]

Аммиак как лиганд

Шаровидная модель катиона диамминосеребра (I), [Ag (NH₃)₂]⁺

Шариковая модель катиона тетраамминдиаквакоппера (II), [Cu (NH₃)₄(ЧАС₂O)₂]²⁺

Аммиак может действовать как лиганд в переходный металл комплексы. Это чистый σ-донор, расположенный в середине спектрохимический ряд, и показывает промежуточные жесткий-мягкий поведение (см. также Модель ECW ). Его относительную донорскую силу по отношению к ряду кислот по сравнению с другими основаниями Льюиса можно проиллюстрировать с помощью Графики C-B.^[32][33] По историческим причинам аммиак получил название аммин в номенклатуре координационные соединения. Некоторые известные амминные комплексы включают тетраамминдиаквакоппер (II) ([Cu (NH₃)₄(ЧАС₂O)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 целлюлоза. Диамминсеребро (I) ([Ag (NH₃)₂]⁺) является активным видом в Реагент 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 хром (III) были известны в конце 19 века и легли в основу Альфред Вернер Революционная теория строения координационных соединений. Вернер отметил только два изомера (фак- и мер-) комплекса [CrCl₃(NH₃)₃], и пришел к выводу, что лиганды должны быть расположены вокруг иона металла на вершины из октаэдр. Это предложение было подтверждено Рентгеновская кристаллография.

Амминовый лиганд, связанный с ионом металла, значительно более кислый, чем свободная молекула аммиака, хотя депротонирование в водном растворе все еще происходит редко. Одним из примеров является Каломель реакция, где образующееся соединение амидомертути (II) очень нерастворимо.

Аммиак образует аддукты 1: 1 с различными кислотами Льюиса, такими как I₂, фенол и Al (CH₃)₃. Аммиак - это твердая база и это Параметры E & C E_B = 2.31 и C _B = 2,04. Его относительную донорную силу по отношению к ряду кислот по сравнению с другими основаниями Льюиса можно проиллюстрировать с помощью Графики C-B.

Обнаружение и определение

Аммиак в растворе

Аммиак и соли аммония могут быть легко обнаружены в очень мельчайших следах путем добавления Решение 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 натрий или же гидроксид калия, образовавшийся аммиак абсорбируется известным объемом стандартного серная кислота а затем определяли избыток кислоты объемно; или аммиак может абсорбироваться соляная кислота и образовавшийся таким образом хлорид аммония осаждается в виде гексахлороплатинат аммония, (NH₄)₂PtCl₆.^[34]

Газообразный аммиак

Серные палочки сжигаются для обнаружения небольших утечек в промышленных системах охлаждения аммиака. Более высокие количества могут быть обнаружены путем нагревания солей едкой щелочью или негашеная известь, когда сразу почувствуется характерный запах аммиака.^[34] Аммиак является раздражителем, и раздражение усиливается с концентрацией; то допустимый предел воздействия составляет 25 частей на миллион, а летальность 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 датчики для определения концентраций до 12,5% по объему.^[36]

Аммиачный азот (NH₃-N)

Аммиачный азот (NH₃-N) - это мера, обычно используемая для проверки количества аммоний ионы, полученные естественным путем из аммиака и возвращенные в аммиак в результате органических процессов в воде или сточных жидкостях. Это мера, используемая в основном для количественной оценки значений в системах очистки сточных вод и водоочистки, а также для оценки состояния природных и искусственных запасов воды. Он измеряется в единицах мг / л (миллиграмм на литр ).

История

Этот реактор высокого давления был построен в 1921 г. BASF в Людвигсхафен и был перестроен на территории Университет Карлсруэ в Германии.

Древнегреческий историк Геродот упомянул, что были обнажения соли в районе Ливии, населенном народом, называемым «аммонийцы» (сейчас: Оазис Сива на северо-западе Египта, где до сих пор существуют соленые озера).^[37][38] Греческий географ Страбон также упомянул соль из этого региона. Однако древние авторы Диоскорид, Апиций, Арриан, Синезий, и Аэций из Амиды описал эту соль как образующую прозрачные кристаллы, которые можно использовать для приготовления пищи и которые, по сути, каменная соль.^[39] Hammoniacus sal появляется в трудах Плиний,^[40] хотя не известно, совпадает ли этот термин с более современным солевым аммиаком (хлорид аммония).^[19][41][42]

Ферментация мочи бактериями вызывает раствор аммиака; следовательно, ферментированная моча использовалась в Классическая античность стирать ткань и одежду, удалять волосы со шкуры при подготовке к дублению, служить в качестве едкий в крашеной ткани и для удаления ржавчины с железа.^[43]

В виде нашатырного спирта (نشادر, нушадир)аммиак был важен для Мусульманские алхимики еще в 8 веке, впервые упоминается персидско-арабским химиком Джабир ибн Хайян,^[44] и европейским алхимики с 13 века, упоминается Альбертус Магнус.^[19] Он также использовался красильщики в Средний возраст в виде ферментированных моча для изменения цвета растительных красителей. В 15 веке Василий Валентин показали, что аммиак можно получить действием щелочей на нашатырный спирт.^[45] В более поздний период, когда аммиак был получен путем перегонки копыт и рогов быков и нейтрализации полученного карбоната с помощью соляная кислота, название «дух хартшорна» применялось к аммиаку.^[19][46]

Газообразный аммиак был впервые выделен Джозеф Блэк в 1756 г. нашатырь (Хлорид аммония ) с кальцинированная магнезия (Оксид магния ).^[47][48] Он был снова изолирован Питер Вулф в 1767 г.,^[49][50] к Карл Вильгельм Шееле в 1770 г.^[51] и по Джозеф Пристли в 1773 г. и был назван им «щелочным воздухом».^[19][52] Одиннадцать лет спустя, в 1785 году, Клод Луи Бертолле выяснил его состав.^[53][19]

В Процесс Габера – Боша для производства аммиака из азота в воздухе был разработан Фриц Габер и Карл Бош в 1909 году и запатентован в 1910 году. Впервые он был использован в промышленных масштабах в Германии во время Первая Мировая Война,^[54] после союзной блокады, которая перекрыла подачу нитратов из Чили. Аммиак использовался для производства взрывчатки для поддержания военных действий.^[55]

До появления природного газа водород как прекурсор производство аммиака был произведен через электролиз воды или используя хлорно-щелочной процесс.

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

Использует

Удобрения

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 ежегодно применяется 110 миллионов тонн.^[57]

Предшественник азотистых соединений

Аммиак прямо или косвенно является предшественником большинства азотсодержащих соединений. Практически все синтетические соединения азота получают из аммиака. Важной производной является азотная кислота. Этот ключевой материал создается с помощью Оствальдский процесс к окисление аммиака с воздухом над платина катализатор при 700–850 ° C (1292–1 562 ° F), ≈9 атм. Оксид азота является промежуточным звеном в этом преобразовании:^[58]

Азотная кислота используется для производства удобрения, взрывчатка и многие азоторганические соединения.

Аммиак также используется для изготовления следующих соединений:

• Гидразин, в Процесс Олина Рашига и перекисный процесс
• Цианистый водород, в BMA процесс и Андрусовский процесс
• Гидроксиламин и карбонат аммония, в Процесс Рашига
• Фенол, в Процесс Рашига – Хукера
• Мочевина, в Процесс карбамида Bosch – Meiser И в Синтез Велера
• Аминокислоты, с помощью Синтез аминокислот Strecker
• Акрилонитрил, в Сохио процесс

Аммиак также можно использовать для получения соединений в реакциях, которые конкретно не названы. Примеры таких соединений включают: перхлорат аммония, нитрат аммония, формамид, тетроксид диазота, алпразолам, этаноламин, этилкарбамат, гексаметилентетрамин, и бикарбонат аммония.

Как уборщик

Бытовой аммиак - раствор NH₃ в воде и используется как универсальный очиститель для многих поверхностей. Поскольку аммиак дает блеск без полос, одним из наиболее распространенных способов его использования является очистка стекла, фарфора и нержавеющей стали. Его также часто используют для чистки духовок и замачивания предметов, чтобы удалить прикипевшую грязь. Концентрация бытового аммиака колеблется от 5 до 10% по массе.^[59] Производители чистящих средств в США обязаны предоставлять паспорт безопасности материала где перечислены использованные концентрации.^[60]

Ферментация

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

Противомикробное средство для пищевых продуктов

Еще в 1895 году было известно, что аммиак «сильно антисептик ... требуется 1,4 грамма на литр для сохранения говяжий чай."^[61] В одном исследовании безводный аммиак уничтожил 99,999% зоонозные бактерии в 3-х видах корма для животных, но нет силос.^[62][63] Безводный аммиак в настоящее время используется в коммерческих целях для уменьшения или устранения микробный заражение говядина.^[64][65]Постная говядина с мелкой текстурой (широко известная как "розовая слизь ") в мясной промышленности производится из жирных говяжий тримминг (около 50–70% жира) путем удаления жира с помощью тепла и центрифугирование, затем обработав его аммиаком, чтобы убить Кишечная палочка. Процесс был признан эффективным и безопасным. Министерство сельского хозяйства США на основе исследования, которое показало, что лечение снижает Кишечная палочка до необнаружимого уровня.^[66] Существовали опасения по поводу безопасности процесса, а также жалобы потребителей на вкус и запах говядины, обработанной оптимальным уровнем аммиака.^[67] Уровень аммиака в любом конечном продукте не приближается к уровню токсичности для человека.

Незначительные и новые применения

Холодильное оборудование - R717

Из-за свойств испарения аммиака это полезный хладагент.^[54] Он широко использовался до популяризации хлорфторуглероды (Фреоны). Безводный аммиак широко используется в промышленных холодильных установках и на хоккейных площадках из-за его высокого содержания. энергоэффективность и невысокая стоимость. Он страдает недостатком токсичности и требует компонентов, устойчивых к коррозии, что ограничивает его бытовое и мелкомасштабное использование. Наряду с его использованием в современных парокомпрессионное охлаждение он используется в смеси вместе с водородом и водой в абсорбционные холодильники. В Калина цикл, значение которого для геотермальных электростанций возрастает, зависит от широкого диапазона кипения водно-аммиачной смеси. Аммиачный хладагент также используется в радиаторе S1 на борту Международная космическая станция в двух контурах, которые используются для регулирования внутренней температуры и позволяют проводить эксперименты 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 в парниковый эффект ХФУ и ГФУ, используемых в настоящее время, если бы они были выпущены, соответствовали бы всем СО₂ в атмосфере.^{[нужна цитата ]}

Для устранения газовых выбросов

Аммиак используется для очистки SO₂ от сжигания ископаемого топлива, и полученный продукт превращается в сульфат аммония для использования в качестве удобрения. Аммиак нейтрализует оксид азота (NO_Икс) загрязняющие вещества, выбрасываемые дизельными двигателями. Эта технология, получившая название SCR (селективное каталитическое восстановление ) опирается на Ванадия катализатор на основе.^[71]

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

Как топливо

Аммиачный газовый двигатель Трамвай в Новом Орлеане нарисованный Альфред Во в 1871 г.

В Х-15 самолет использованный аммиак как один компонент топливо своего ракета двигатель

Сырье плотность энергии жидкого аммиака 11,5 МДж / л,^[73] что примерно в три раза меньше дизель. Есть возможность преобразовать аммиак обратно в водород, где его можно использовать для питания водородных топливных элементов или непосредственно в высокотемпературных топливных элементах.^[74] Превращение аммиака в водород через амид натрия процесс,^[75] либо для сжигания, либо в качестве топлива для топливный элемент с протонообменной мембраной,^[73] возможно. Преобразование в водород позволит хранить водород почти при 18 вес% по сравнению с ≈5% для газообразного водорода под давлением.

Аммиачные двигатели или аммиачные двигатели, использующие аммиак в качестве рабочая жидкость, были предложены и время от времени использовались.^[76] Принцип аналогичен тому, который используется в пожарный локомотив, но с аммиаком в качестве рабочего тела вместо пара или сжатого воздуха. Аммиачные двигатели были экспериментально использованы в 19 веке. Голдсуорси Герни в Великобритании и Трамвай Сент-Чарльз-авеню линия в Новом Орлеане в 1870-х и 1880-х годах,^[77] и во время Вторая Мировая Война аммиак использовался для питания автобусов в Бельгии.^[78]

Аммиак иногда предлагается в качестве практической альтернативы ископаемое топливо за двигатель внутреннего сгорания.^[78][79][80] Его высокий октановое число из 120^[81] и низкая температура пламени^[82] позволяет использовать высокие степени сжатия без потери высокого образования NOx. Поскольку аммиак не содержит углерода, его сгорание не дает углекислый газ, монооксид углерода, углеводороды, или же сажа.

Хотя производство аммиака в настоящее время создает 1,8% мировых выбросов CO2, согласно докладу Королевского общества за 2020 год.^[83] утверждает, что «зеленый» аммиак можно получить, используя низкоуглеродистый водород (синий водород и зеленый водород). К 2050 году возможна полная декарбонизация производства аммиака и достижение нулевых показателей.

Однако аммиак нелегко использовать в существующих Цикл Отто двигатели из-за очень узкой диапазон воспламеняемости, а также существуют другие препятствия для широкого использования автомобилей. 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. 60 МВт Рьюканская плотина в Телемарк Норвегия много лет производила аммиак с 1913 года, обеспечивая удобрение 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.^[84][85] В 2007 году пикап Мичиганского университета, работающий на аммиаке, поехал из Детройта в Сан-Франциско в рамках демонстрации, потребовав только одной заправки в Вайоминге.^[86]

В сравнении с водород как топливо аммиак гораздо 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][87]

Ракетные двигатели также работают на аммиаке. В Моторы реакции XLR99 ракетный двигатель, который приводил в действие Х-15 гиперзвуковой исследовательский самолет использовал 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 Австралия с Организация Содружества научных и промышленных исследований (CSIRO) объявила об успехе разработки процесса выделения водорода из аммиака и получения его сверхвысокой чистоты в качестве топлива для автомобилей. Для этого используется специальная мембрана. Две демонстрации автомобили на топливных элементах есть технологии, Hyundai Nexo и Toyota Mirai.^[88]

В 2020 г. Саудовская Аравия отправлено сорок метрических тонн жидкого «голубого аммиака» в Японию для использования в качестве топлива.^[89] Он был произведен как побочный продукт нефтехимической промышленности, и его можно сжигать без выделения парниковые газы. 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 изменение климата.^[90] Компания ACWA Мощность и город Неом объявили о строительстве завода по производству экологически чистого водорода и аммиака в 2020 году.^[91]

Зеленый аммиак считается потенциальным топливом для будущих контейнеровозов. В 2020 году компании DSME и Решения MAN Energy объявила о строительстве аммиачного корабля, DSME планирует коммерциализировать его к 2025 году.^[92]

Как стимулятор

Анти-мет знак на баке безводного аммиака, Отли, Айова. Безводный аммиак - обычное удобрение на фермах, которое также является важным ингредиентом при производстве метамфетамина. В 2005 году Айова использовала грантовые деньги для выдачи тысяч замков, чтобы не допустить проникновения преступников в резервуары.^[93]

Аммиак, как пар, выделяемый нюхательная соль, нашел широкое применение в качестве стимулятора дыхания. Аммиак обычно используется при незаконном производстве метамфетамин через Сокращение березы.^[94] Метод Берча для 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.^[95]

Текстиль

Аммиак жидкий используется для обработки хлопковых материалов, придавая им такие свойства, как мерсеризация, используя щелочи. В частности, его используют для предварительной стирки шерсти.^[96]

Подъемный газ

При стандартной температуре и давлении аммиак менее плотен, чем атмосфера, и имеет примерно 45-48% подъемной силы водорода или водорода. гелий. Аммиак иногда использовался для наполнения метеозондов в качестве подъемный газ. Из-за относительно высокой точки кипения (по сравнению с гелием и водородом) аммиак потенциально может быть охлажден и сжижен на борту судна. дирижабль для уменьшения подъемной силы и добавления балласта (и вернулся на газ для увеличения подъемной силы и уменьшения балласта).

Деревообработка

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.^[97]

Меры предосторожности

Самый длинный аммиак в мире трубопровод (протяженностью около 2400 км),^[98] убегая от Тольяттиазот посадить в Россия к Одесса в Украина

Соединенные штаты. Управление по охране труда и здоровья (OSHA) установил 15-минутный предел воздействия для газообразного аммиака в размере 35 промилле по объему в окружающем воздухе и 8-часовой предел воздействия 25 промилле по объему.^[99] В Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH) недавно снизил IDLH (уровень, непосредственно опасный для жизни и здоровья, уровень, при котором здоровый рабочий может находиться в течение 30 минут без необратимых последствий для здоровья) с 500 до 300, основываясь на недавних более консервативных интерпретациях оригинального исследования 1943 года. Другие организации имеют разные уровни воздействия. Стандарты ВМС США [США Bureau of Ships 1962] максимально допустимые концентрации (ПДК): непрерывное воздействие (60 дней): 25 частей на миллион / 1 час: 400 частей на миллион.^[100] 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.^[99] Аммиак регулируется в Соединенных Штатах как негорючий газ, но он соответствует определению материала, который является токсичным при вдыхании и требует разрешения на опасную безопасность при транспортировке в количествах, превышающих 13 248 л (3500 галлонов).^[101]

Жидкий аммиак опасен, потому что он гигроскопичный и потому что это может вызвать едкие ожоги. Видеть Газовоз § Воздействие на здоровье конкретных грузов, перевозимых на газовозах для дополнительной информации.

Токсичность

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 карбамоилфосфатсинтетаза, а затем входит в цикл мочевины быть включенным в аминокислоты или выводится с мочой.^[102] Рыбы и амфибии у них отсутствует этот механизм, так как они обычно могут выводить аммиак из своего организма путем прямого выведения. Аммиак даже в разбавленных концентрациях очень токсичен для водных животных, и по этой причине он классифицированный в качестве опасно для окружающей среды.

Аммиак входит в состав табачный дым.^[103]

Сточные воды коксования

Аммиак присутствует в потоках сточных вод коксования в качестве жидкого побочного продукта производства кокс из каменный уголь.^[104] В некоторых случаях аммиак сбрасывается в морская среда где он действует как загрязнитель. В Металлургический завод Уайалла в Южная Австралия является одним из примеров установки по производству кокса, которая сбрасывает аммиак в морские воды.^[105]

Аквакультура

Считается, что токсичность аммиака является причиной необъяснимых иным образом потерь в рыбоводных заводах. Избыток аммиака может накапливаться и вызывать изменение метаболизма или повышение pH тела подвергшегося воздействию организма. Переносимость зависит от вида рыб.^[106] 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.^[107] Под воздействием избытка аммиака у рыб может наблюдаться потеря равновесия, повышенная возбудимость, повышенная дыхательная активность и потребление кислорода, а также учащенное сердцебиение.^[106] В концентрациях, превышающих 2,0 мг / л, аммиак вызывает повреждение жабр и тканей, крайнюю летаргию, судороги, кому и смерть.^[106][108] Эксперименты показали, что смертельная концентрация для множества видов рыб составляет от 0,2 до 2,0 мг / л.^[108]

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 условиях аквакультуры, особенно в крупных масштабах, не существует быстрого средства от повышенного уровня аммиака. Для уменьшения вреда для выращиваемой рыбы рекомендуется профилактика, а не коррекция.^[108] а в открытых водных системах - в окружающей среде.

Информация о хранении

Похожий на пропан, безводный аммиак при атмосферном давлении кипит ниже комнатной температуры. Емкость для хранения 250psi (1.7 МПа ) подходит для содержания жидкости.^[109] Аммиак используется во множестве различных промышленных применений, 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.^[110] Соединения аммония никогда не должны вступать в контакт с базы (за исключением запланированной и сдерживаемой реакции), так как может выделяться опасное количество газообразного аммиака.

Бытовое использование

Растворы аммиака (5–10% по весу) используются в качестве бытовых чистящих средств, особенно для стекла. Эти растворы раздражают глаза и слизистые оболочки (дыхательные и пищеварительные тракты) и, в меньшей степени, кожа. Следует проявлять осторожность, чтобы химическое вещество никогда не смешивалось с какой-либо жидкостью, содержащей отбеливатель, так как это может привести к образованию токсичного газа. Смешивание с хлор -содержащие продукты или сильные окислители, например бытовые отбеливать, может генерировать хлорамины.^[111]

Лабораторное использование растворов аммиака

Образец соляной кислоты выделяет пары HCl, которые реагируют с парами аммиака с образованием белого дыма хлорида аммония.

Опасность растворов аммиака зависит от концентрации: «разбавленные» растворы аммиака обычно составляют 5–10% по весу (<5,62 моль / л); «концентрированные» растворы обычно готовят с содержанием> 25% по весу. 25% -ный (по весу) раствор имеет плотность 0,907 г / см.³, а раствор с меньшей плотностью будет более концентрированным. В Классификация Европейского Союза аммиачных растворов приведено в таблице.

Пары аммиака из концентрированных растворов аммиака сильно раздражают глаза и дыхательные пути, и с этими растворами следует обращаться только в вытяжном шкафу. Насыщенный («0,880» - см. #Характеристики ) 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 галогены, поскольку образуются токсичные и / или взрывоопасные продукты. Продолжительный контакт растворов аммиака с серебро, Меркурий или же йодид соли также могут приводить к образованию взрывоопасных продуктов: такие смеси часто образуются в качественный неорганический анализ, и его следует слегка подкисить, но не концентрировать (<6% мас. / об.) перед утилизацией после завершения испытания.

Лабораторное использование безводного аммиака (газообразного или жидкого)

Безводный аммиак классифицируется как токсичный (Т) и опасные для окружающей среды (N). Газ легковоспламеняющийся (температура самовоспламенения: 651 ° C) и может образовывать взрывоопасные смеси с воздухом (16–25%). В допустимый предел воздействия (PEL) в США - 50промилле (35 мг / м³), в то время как IDLH концентрация оценивается в 300 ppm. Повторное воздействие аммиака снижает чувствительность к запаху газа: обычно запах обнаруживается при концентрациях менее 50 ppm, но люди с пониженной чувствительностью могут не обнаружить его даже при концентрациях 100 ppm. Безводный аммиак разъедает медь - и цинк -содержащий сплавы, и так латунь арматуру нельзя использовать для работы с газом. Жидкий аммиак также может атаковать резинка и некоторые пластмассы.

Аммиак бурно реагирует с галогенами. Трииодид азота, а начальный фугас, образуется при контакте аммиака с йод. Аммиак вызывает взрывчатку полимеризация из окись этилена. Также образует взрывоопасные гремящий соединения с соединениями золото, серебро, Меркурий, германий или же теллур, и с Стибин. Сообщалось также о насильственных реакциях с ацетальдегид, гипохлорит решения, феррицианид калия и перекиси.

Синтез и производство

Динамика производства аммиака с 1947 по 2007 год

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

Перед началом Первая Мировая Война, большая часть аммиака была получена сухая перегонка^[112] азотистых отходов растительного и животного происхождения, в том числе верблюд навоз, где это было дистиллированный за счет сокращения азотистая кислота и нитриты с водородом; кроме того, он был получен путем перегонки каменный уголь, а также разложением солей аммония под действием щелочной гидроксиды^[113] Такие как негашеная известь:^[114]

Для мелкомасштабного лабораторного синтеза можно нагреть мочевина и гидроксид кальция:

Процесс Габера-Боша

В массовом производстве аммиака в основном используется Процесс Габера – Боша, а газовая фаза реакция между водородом (H₂) и азот (N₂) при умеренно повышенной температуре (450 ° C) и высоком давлении (100 стандартных атмосфер (10 МПа)):^[115]

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

Эта реакция является экзотермической и приводит к снижению энтропии, а это означает, что реакция благоприятствует при более низких температурах^[116] и более высокое давление.^[117] Это затрудняет и увеличивает затраты, поскольку более низкие температуры приводят к более медленному кинетика реакции (следовательно, более медленный скорость реакции )^[118] и высокое давление требует высокопрочных сосудов под давлением^[119] которые не ослаблены хрупкость водорода. Кроме того, двухатомный азот связан исключительно прочным тройная связь, что делает его довольно инертным.^[120] Как выход, так и эффективность процесса Габера-Боша низкие, а это означает, что произведенный аммиак должен непрерывно отделяться и извлекаться, чтобы реакция протекала с заметной скоростью.^[121] В сочетании с энергией, необходимой для производить водород^{[примечание 1]} и очищенного атмосферного азота, производство аммиака - очень энергоемкий процесс, на который потребляется от 1 до 2% мировой энергии, 3% глобальных выбросов углерода,^[123] и от 3 до 5% потребления природного газа.^[124]

Аммиак жидкий как растворитель

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 NH₃ с водными шоу NH₃ имеет более низкую температуру плавления, температуру кипения, плотность, вязкость, диэлектрическая постоянная и электрическая проводимость; это связано, по крайней мере частично, с более слабой водородной связью в NH₃ и поскольку такое связывание не может образовывать сшитые сети, поскольку каждый NH₃ молекула имеет только одну неподеленную пару электронов по сравнению с двумя для каждого H₂Молекула O. Ионная самооценкаконстанта диссоциации жидкого NH₃ при -50 ° C составляет около 10⁻³³.

Поезд, перевозящий безводный аммиак.

Растворимость солей

Жидкий аммиак является ионизирующим растворителем, хотя и в меньшей степени, чем вода, и растворяет ряд ионных соединений, включая многие нитраты, нитриты, цианиды, тиоцианаты, циклопентадиенильные комплексы металлов и бис (триметилсилил) амиды металлов.^[125] Большинство солей аммония растворимы и действуют как кислоты в жидких растворах аммиака. Растворимость галогенид соли увеличивается от фторид к йодид. Насыщенный раствор нитрат аммония (Водолазное решение, названный в честь Эдвард Дайверс ) содержит 0,83 моль растворенного вещества на моль аммиака и имеет давление газа менее 1 бара даже при 25 ° C (77 ° F).

Растворы металлов

Жидкий аммиак растворяет все щелочных металлов и другие электроположительный металлы, такие как Ca,^[126] Sr, Ба, Европа, и Yb (также Mg с использованием электролитического процесса^[127]). 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 два типа растворов могут сосуществовать как несмешиваемый фазы.

Редокс-свойства жидкого аммиака

Диапазон термодинамической стабильности жидких растворов аммиака очень узок, так как потенциал окисления до диазота, E° (N₂ + 6NH₄⁺ + 6e⁻ ⇌ 8NH₃) составляет всего +0,04 В. На практике как окисление до диазота, так и восстановление до дигидорода протекают медленно. Это особенно верно для восстановительных растворов: указанные выше растворы щелочных металлов стабильны в течение нескольких дней, медленно разлагаясь до амид 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

Основные симптомы гипераммониемии (достижение токсичных концентраций аммиака).^[128]

Аммиак - это одновременно метаболические отходы и метаболический вклад на протяжении всего биосфера. 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, N₂ газ. Следовательно, азотфиксация необходим для синтеза аминокислот, которые являются строительными блоками белок. Некоторые растения зависят от аммиака и других азотистых отходов, попадающих в почву в результате разложения. Другие, например азотфиксирующие бобовые, выгода от симбиотический отношения с ризобия которые создают аммиак из атмосферного азота.^[129]

Биосинтез

У некоторых организмов аммиак производится из атмосферного азота путем ферменты называется нитрогеназы. Общий процесс называется азотфиксация. Интенсивные усилия были направлены на понимание механизма биологической фиксации азота; научный интерес к этой проблеме мотивирован необычной структурой активного центра фермента, который состоит из Fe₇MoS₉ ансамбль.^[130]

Аммиак также является продуктом метаболизма аминокислота дезаминирование катализируется ферментами, такими как глутаматдегидрогеназа 1. Выделение аммиака часто встречается у водных животных. У человека быстро превращается в мочевина, который гораздо менее токсичен, особенно менее базовый. Эта мочевина является основным компонентом сухой массы моча. Большинство рептилий, птиц, насекомых и улиток выделяют мочевая кислота исключительно как азотные отходы.

В физиологии

Аммиак также играет роль как у нормальных, так и у ненормальных животных. физиология. Он биосинтезируется посредством нормального метаболизма аминокислот и токсичен в высоких концентрациях. В печень превращает аммиак в мочевину посредством ряда реакций, известных как цикл мочевины. Дисфункция печени, такая как цирроз, может привести к повышенному содержанию аммиака в крови (гипераммониемия ). Аналогичным образом, дефекты ферментов, ответственных за цикл мочевины, такие как орнитин-транскарбамилаза, приводят к гипераммониемии. Гипераммонемия способствует спутанности сознания и кома из печеночная энцефалопатия, а также неврологическое заболевание, распространенное у людей с дефектами цикла мочевины и органические ацидурии.^[131]

Аммиак важен для нормального кислотно-щелочного баланса животных. После образования аммония из глутамин, α-кетоглутарат может быть деградирован, чтобы произвести два бикарбонат ионы, 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.^[132]

Экскреция

Ионы аммония - это токсичный отходы метаболизм в животные. У рыб и водных беспозвоночных он выделяется непосредственно в воду. У млекопитающих, акул и амфибий он превращается в цикл мочевины к мочевина, потому что он менее токсичен и может храниться более эффективно. У птиц, рептилий и наземных улиток метаболический аммоний превращается в мочевая кислота, который является твердым и поэтому может выводиться с минимальной потерей воды.^[133]

Референсные диапазоны для анализов крови, сравнивая содержание аммиака в крови (показано желтым рядом с серединой) с другими составляющими

В астрономии

Аммиак встречается в атмосферы внешних планет-гигантов, таких как Юпитер (0,026% аммиака), Сатурн (0,012% аммиака), а в атмосфере и льды Урана и Нептуна.

Аммиак обнаружен в атмосферах планеты-гиганты, включая Юпитер, наряду с другими газами, такими как метан, водород и гелий. Внутри Сатурна могут быть замороженные кристаллы аммиака.^[134] Естественно встречается на Деймос и Фобос - два спутники Марса.

Межзвездное пространство

Аммиак был впервые обнаружен в межзвездном пространстве в 1968 году по данным микроволновая печь выбросы со стороны галактическое ядро.^[135] Это был первый многоатомный Чувствительность молекулы к широкому диапазону возбуждений и легкость, с которой ее можно наблюдать в ряде областей, сделали аммиак одной из наиболее важных молекул для изучения молекулярные облака.^[136] Относительная интенсивность линий аммиака может использоваться для измерения температуры излучающей среды.

Обнаружены следующие изотопные формы аммиака:

Обнаружение тройного дейтерированный аммиак считался неожиданностью, так как дейтерия относительно мало. Считается, что низкие температуры позволяют этой молекуле выживать и накапливаться.^[137]

С момента своего межзвездного открытия NH₃ оказался бесценным спектроскопическим инструментом при изучении межзвездной среды. Благодаря большому количеству переходов, чувствительных к широкому диапазону условий возбуждения, NH₃ был широко обнаружен астрономически - 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

Межзвездное содержание аммиака было измерено в различных средах. [NH₃]/[ЧАС₂] оценивается в диапазоне от 10⁻⁷ в маленьких темных облаках^[138] до 10⁻⁵ в плотном ядре Комплекс молекулярных облаков Ориона.^[139] Хотя в общей сложности было предложено 18 производственных маршрутов,^[140] основной механизм образования межзвездных NH₃ это реакция:

Константа скорости, k, данной реакции зависит от температуры окружающей среды и составляет 5,2 × 10⁻⁶ при 10 К.^[141] Константу скорости рассчитывали по формуле ${displaystyle k = a (T / 300) ^ {B}}$. Для реакции первичного образования а = 1.05×10⁻⁶ и B = −0.47. Предполагая NH₄⁺ изобилие 3 × 10⁻⁷ и содержание электронов 10⁻⁷ типично для молекулярных облаков, формирование будет происходить со скоростью 1.6×10⁻⁹ см⁻³s⁻¹ в молекулярном облаке полной плотности 10⁵ см⁻³.^[142]

Все другие предложенные реакции образования имеют константы скорости на 2-13 порядков меньше, что делает их вклад в содержание аммиака относительно незначительным.^[143] В качестве примера незначительного вклада других реакций формации можно привести реакцию:

имеет константу скорости 2,2×10⁻¹⁵. Предполагая, что H₂ плотности 10⁵ и [NH₂]/[ЧАС₂] соотношение 10⁻⁷, эта реакция идет со скоростью 2.2×10⁻¹², более чем на 3 порядка медленнее, чем указанная выше первичная реакция.

Вот некоторые из других возможных реакций образования:

Механизмы межзвездного разрушения

Всего предложено 113 реакций, ведущих к разрушению NH.₃. Из них 39 были включены в обширные таблицы химического состава соединений C, N и O.^[144] Обзор межзвездного аммиака приводит следующие реакции в качестве основных механизмов диссоциации:^[136]

с константами скорости 4,39 × 10^−9[145] и 2,2 × 10⁻⁹,^[146] соответственно. Приведенные выше уравнения (1, 2) бегают со скоростью 8,8 × 10⁻⁹ и 4,4 × 10⁻¹³, соответственно. В этих расчетах предполагались заданные константы скорости и содержания [NH₃]/[ЧАС₂] = 10⁻⁵, [H₃⁺]/[ЧАС₂] = 2×10⁻⁵, [HCO⁺]/[ЧАС₂] = 2×10⁻⁹, а суммарные плотности п = 10⁵, типичный для холодных плотных молекулярных облаков.^[147] Ясно, что между этими двумя первичными реакциями уравнение (1) является доминирующей реакцией разрушения со скоростью ≈10 000 раз быстрее, чем уравнение (2). Это связано с относительно высоким содержанием H₃⁺.

Обнаружение одиночной антенны

Радионаблюдения NH₃ от 100-метровый радиотелескоп Эффельсберга показывают, что линия аммиака разделена на две составляющие - фоновый гребень и неразрешенное ядро. Фон хорошо соответствует местам, ранее обнаруженным CO.^[148] 25-метровый телескоп Чилболтон в Англии обнаружил радиосигналы аммиака в H II регионы, HNH₂О мазеры, Объекты H-H и другие объекты, связанные со звездообразованием. Сравнение ширины эмиссионных линий показывает, что турбулентные или систематические скорости не увеличиваются в центральных ядрах молекулярных облаков.^[149]

Микроволновое излучение аммиака наблюдалось у нескольких галактических объектов, включая W3 (OH), Орион А, W43, W51 и пять источников в центре Галактики. Высокая скорость обнаружения указывает на то, что это обычная молекула в межзвездной среде и что в галактике часто встречаются области с высокой плотностью.^[150]

Интерферометрические исследования

VLA наблюдения NH₃ в семи регионах с высокоскоростными газовыми истечениями выявлены конденсации менее 0,1 ПК в L1551, S140 и Цефей А. 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.^[151]

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 стержня ядра, видимого в CO.^[152] NH₃ VLA также отслеживал выборку из четырех сверхкомпактных областей HII в галактике: 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.^[153]

Инфракрасное обнаружение

Поглощение твердым аммиаком на 2,97 мкм было зарегистрировано межзвездными зернами в Объект Беклина-Нойгебауэра и, вероятно, также в NGC 2264-IR. Это обнаружение помогло объяснить физическую форму ранее плохо изученных и связанных линий поглощения льда.^[154]

Спектр диска Юпитера был получен из Воздушная обсерватория Койпера, охватывающая от 100 до 300 см⁻¹ спектральный диапазон. Анализ спектра дает информацию о глобальных средних свойствах газообразного аммиака и аммиачной ледяной дымки.^[155]

Всего было исследовано 149 положений темных облаков на предмет наличия «плотных ядер» с использованием вращающейся линии инверсии (J, K) = (1,1) NH₃. 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.^[156]

Аммиак обнаружен в Туманность Драко и в одном или, возможно, двух молекулярных облаках, которые связаны с высокоширотными галактическими облаками. инфракрасный перистый. 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.^[157]

Наблюдения за ближайшими темными облаками

Уравновешивая стимулированное излучение со спонтанным излучением, можно построить связь между температура возбуждения и 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 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, по расчетам, находятся в диапазоне от 10⁴ и 10⁵ см⁻³ в темных облаках. Картирование NH₃ дает типичные размеры облаков 0,1 ПК и массами около 1 солнечной массы. Эти холодные плотные ядра - места будущего звездообразования.

UC HII регионы

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

Аммиак обнаружен во внешних галактиках,^[158][159] а измеряя одновременно несколько линий, можно непосредственно измерить температуру газа в этих галактиках. Соотношения линий означают, что температура газа теплая (≈50 К), происходящая из плотных облаков размером в десятки пк. Это изображение соответствует изображению в нашем Млечный Путь галактика - горячие плотные молекулярные ядра образуются вокруг вновь формирующихся звезд, погруженных в более крупные облака молекулярного материала в масштабе нескольких сотен пк (гигантские молекулярные облака; GMC).

Смотрите также

• 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 веществ

Примечания

Рекомендации

Процитированные работы

• «Аква Аммиак». airgasspecialtyproducts.com. Архивировано из оригинал 19 ноября 2010 г.. Получено 28 ноября 2010.
• В эту статью включен текст из публикации, которая сейчас находится в всеобщее достояние: Чисхолм, Хью, изд. (1911). "Аммиак ". Британская энциклопедия. 1 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 861–863.
• Кларк, Джим (апрель 2013 г.) [2002]. "ХАБЕРОВСКИЙ ПРОЦЕСС". Получено 15 декабря 2018.

дальнейшее чтение

• 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, C.E .; Шарп, А. Г. (2000). Неорганическая химия (1-е изд.). Нью-Йорк: Прентис-Холл. ISBN  978-0-582-31080-3.
• Weast, R.C., ed. (1972). Справочник по химии и физике (53-е изд.). Кливленд, Огайо: Chemical Rubber Co.

внешняя ссылка

• Международная карта химической безопасности 0414 (безводный аммиак), ilo.org.
• Международная карта химической безопасности 0215 (водные растворы), ilo.org.
• CID 222 из PubChem
• «Водный аммиак и другие растворы» (На французском). Institut National de Recherche et de Sécurité. Архивировано из оригинал 11 декабря 2010 г.
• Аварийное реагирование на выбросы (разливы) аммиачных удобрений для Министерства сельского хозяйства Миннесоты. ammoniaspills.org
• Национальный институт охраны труда и здоровья - Страница аммиака, cdc.gov
• Карманный справочник NIOSH по химической опасности - Аммиак, cdc.gov
• Аммиак, видео