Аміак

Аміак — NH3, при нормальних умовах — безбарвний газ із різким характерним запахом (запах нашатирного спирту), майже вдвічі легше за повітря, отрутний. Розчинність NH3 у воді надзвичайно велика - близько 1200 обсягів (при 0°C) або 700 обсягів (при 20°C) в обсязі води. Молекула аміаку має вигляд тетраедра з атомом азоту у вершині. При неспарених h-електронах атоми азоту беруть участь в утворенні полярних ковалентних зв'язків з 1s-електронами трьох атомів водню. Крім того, в атома азоту є неподілена пара електронів.

У рідкому аміаку молекули пов'язані між собою водневими зв'язками. Під цим розуміють порівняно високу температуру кипіння й високу теплоту випару аміаку. Однак міцність цих зв'язків у рідкому аміаку істотно нижче, ніж у води, тому в'язкість, наприклад, рідкого аміаку в 7 разів менше в'язкості води.

Завдяки наявності неподіленої електронної пари в багатьох реакціях аміак виступає як нуклеофил. Так, він приєднує протон, утворюючи іон амонію:

NH3 + H+ = NH4+

З кислотами дає відповідні солі амонію:

NH3 + HNO3 = NH4NO3

Водяний розчин аміаку ("нашатирний спирт") має слабку реакцію через протікання процесу:

NH3 + H2O = NH4+  + OH-

З карбоновими кислотами, їхніми ангідридами, ефірами й іншими похідними дає аміди. Аміак також є дуже слабкою кислотою (більш слабкою, чим вода), здатний утворювати з металами солі - аміди.

Аміак горить в атмосфері кисню, даючи воду й азот. Окислювання аміаку повітрям на платиновому каталізаторі дає оксиди азоту, що використається в промисловості для одержання азотної кислоти.

Галогени (хлор, йод) утворять із аміаком небезпечні вибухові речовини - галогеніди азоту (хлористий азот, йодистий азот).

Окислюванням аміаку гіпохлоритом натрію в присутності желатину одержують гідразин.

При 1000°C аміак реагує з вугіллям, утворюючи HCN і частково розкладаючись на азот і водень.

Біологічна роль

Аміак є кінцевим продуктом азотистого обміну в організмі людини й тварин. Він утвориться при метаболізмі білків, амінокислот й інших азотистих з'єднань. Він високо токсичний для організму, тому більша частина аміаку в ході орнитинового циклу конвертується печінкою в більш нешкідливе й менш токсичне з'єднання - карбамід (сечовину). Сечовина потім виводиться, причому частина сечовини може бути конвертована печінкою назад в аміак.

Аміак може також використатися печінкою для зворотного процесу - ресинтеза амінокислот з аміаку й кето-аналогів амінокислот. Цей процес зветься "відбудовне амінування". 

Фізіологічна дія

Аміак отрутний. Гранично допустима концентрація = 20 мг/м3. Рідкий аміак викликає сильні опіки. При вмісті в повітрі 0,5%, аміак сильно дратує слизові оболонки. При гострому отруєнні подразнюються очі й дихальні шляхи. При хронічному отруєнні - розлад травлення, катар верхніх дихальних шляхів, ослаблення слуху.

 

 

В основному використається для виробництва азотних добрив (нітрат і сульфат амонію, сечовина), вибухових речовин і полімерів, азотної кислоти, соди (по аміачному методі) і інших продуктів хімічної промисловості. Рідкий аміак використають як розчинник.

У холодильній техніці використається як холодильний агент.

Отримання та використання

Промисловий спосіб отримання аміаку заснований на прямій взаємодії водню й азоту:

N2(r) + 3H2(r) - 2NH3(r) + 45,9 Кдж

Це так званий процес Габера (німецький фізик, розробив фізико-хімічні основи методу).

Реакція відбувається з виділенням тепла й зниженням обсягу. Отже, виходячи із принципу Ле-Шателье, реакцію варто проводити при низьких температурах і при високому тиску - тоді рівновага буде зміщена вправо. Однак швидкість реакції при низьких температурах мізерно мала, а при високих збільшується швидкість зворотної реакції. Проведення реакції при дуже високих тисках вимагає створення спеціального, що витримує високий тиск устаткування, а значить і більших капіталовкладень. Крім того, рівновага реакції навіть при 700°C установлюється занадто повільно для практичного її використання.

Застосування каталізатора (пористе залізо з домішками Al2O3 й K2O) дозволило прискорити досягнення рівноважного стану. Цікаво, що при пошуку каталізатора на цю роль пробували більше 20 тисяч різних речовин.

З огляду на всі вищенаведені фактори, процес одержання аміаку проводять при наступних умовах: температура 500°C, тиск 350 атмосфер, каталізатор. Вихід аміаку за таких умов становить близько 30%. У промислових умовах використаний принцип циркуляції - аміак видаляють охолодженням, а азот і водень що не прореагували повертають у колону синтезу. Це виявляється більше економічним, чим досягнення більш високого виходу реакції за рахунок підвищення тиску.

Для одержання аміаку в лабораторії використають дію сильних лугів на солі амонію:

NH4Cl + NaOH = NH3 + NaCl + H2O.

В 1913 р. уперше був отриманий у промисловому масштабі аміак каталітичним синтезом з азоту й водню. Так була вирішена найважливіша проблема: проблема зв'язування азоту. Її рішення давало можливість одержати азот у зв'язаному стані, у вигляді аміаку NН3, що переводився в амонійні солі, або каталітичним окислюванням в азотну кислоту і її солі. А вже із цих продуктів можна було необмежено одержувати всілякі речовини,  що вміщають азот, які так необхідні буквально у всіх галузях народного господарства.

Ф. Габер, автор каталітичного синтезу аміаку, так говорив згодом про сформоване положення:

 “Потреба в нових джерелах азоту виявилася наприкінці XIX ст. Із середини XIX ст. використалася чилійська селітра, але до кінця століття стало ясно, що при подальшому зростанні потреб у порівнянні з наявними запасами, до середини XX ст. запаси будуть вичерпані, якщо хімія не знайде виходу з положення.

Було розраховано, що потреба у зв'язаному азоті, рівна на початку XX ст. 100 тис. т у рік, незабаром збільшиться до 1 млн. т. Такий попит міг бути вдоволений тільки з одного джерела: з величезного запасу елементарного азоту, що представляє наша атмосфера, за допомогою зв'язування з іншим, широко розповсюдженим хімічним елементом. Вихідним продуктом, таким чином, є атмосферний азот; кінцевим продуктом повинні бути селітра або аміак, необхідні в якості добрива.

Одночасно з роботою дослідно-промислової установки почалося будівництво першого у світі заводу каталітичного синтезу аміаку в м. Оппау. 9 вересня 1913р. завод почав працювати. До 24 жовтня 1913 р. щоденна продукція заводу перевищила 10 т.

Уже в наступному, 1914 р., почалося будівництво другої черги заводу. Продукція аміаку до кінця 1915 р. досягла 100 т на місяць, до середини 1916 р. - 200 від на місяць, а до кінця 1917 р. - понад 7000 від на місяць. Так відбулося становлення одного із самих найважливіших процесів хімічної промисловості. 

Надалі в інших країнах також виникли свої способи синтезу аміаку, але вони принципово не мали відмінності від способу Габера-Боша. Вони відрізнялися величиною застосовуваного тиску, особливостями апаратур, способами очищення азотоводної суміші (що є дуже важливим), різновидами каталізаторів, але головне - високий тиск і циркуляційний характер процесу -збереглися скрізь. 

За розробку наукових основ процесу синтезу аміаку й за промислове оформлення його Ф. Габеру й К. Бошу в 1918 р. була присуджена Нобелівська премія. При одержанні премії 2 червня 1920 р. у Стокгольмі Ф. Габер, як це покладається всім лауреатам Нобелівської премії, виголосив промову:

 “Настільки висока премія зобов'язує охарактеризувати те положення, що займає даний процес у науці, і викласти шлях, що до нього привів. Мова йде про хімічне перетворення найпростішого виду. Газоподібний азот утворить із газоподібним воднем у простому об'ємному відношенні газоподібний аміак. Всі три речовини добре відомі в хімії в продовж більше століття. Кожний з них у другій половині XIX ст. був багаторазово вивчений при найрізноманітніших умовах. Якщо при цьому сторіччя пройшло, перш ніж вдалося знайти спосіб одержання аміаку з елементів, то причина полягає в тім, що для того, щоб змусити азот і водень значною мірою ввійти в з'єднання, потрібні незвичайні засоби, створення точних певних умов роботи й розробка термодинамічних основ процесу.

Особливе значення мало ту обставину, що колишнім дослідникам не вдавалося простежити з вірогідністю взаємодія азоту й водню з утворенням хоча б найменших слідів аміаку. Внаслідок цього виникло упередження, що одержання аміаку цим шляхом взагалі неможливо, і це упередження було сильно поширене в науці. Таке упередження створює мнимі утруднення, які перешкоджають справі сильніше, ніж ясно усвідомлені дійсні труднощі.

Інтерес фахівців до процесу утворення аміаку з елементів заснований на тім, що при цьому виходить простий результат за допомогою незвичайних засобів. Інтерес широких кіл порозумівається тим, що синтез аміаку, здійснений у великому масштабі, являє собою дійсний шлях до задоволення важливих народногосподарських потреб. Ця практична користь не була упередженою метою моїх робіт. Я не сумнівався в тім, що моя лабораторна робота дасть не більше, ніж наукове з'ясування основ розробки дослідних методів, і що до цих результатів повинне бути ще дуже багато прикладено, щоб забезпечити господарське досягнення в промисловому масштабі”.

Далі Ф. Габер так оцінює рішення їм й іншим німецьким дослідникам проблеми зв'язування азоту шляхом каталітичного синтезу аміаку:

“Це рішення цілком достатньо для того, щоб разом з іншими процесами зв'язування азоту звільнити нас від турботи, що 20 років тому створила небезпека виснаження природних покладів селітри”.

Рішення це не остаточне. Існування азотних бактерій показує нам, що природа, у її витончених формах біологічної хімії, знає й здійснює інші можливості, які вона спочатку приховує від нашого погляду.

Дуже важливим для успішного проведення синтезу аміаку є правильний підбір каталізаторів для цієї реакції. При синтезі аміаку застосовуються змішані каталізатори. 

Промислові системи синтезу аміаку залежно від застосовуваного тиску азотоводної суміші підрозділяються на:

1. Установки, що працюють при низьких тисках (100-200 aт).

2. Системи, що працюють при середніх тисках (280-350 aт).

3. Системи, що працюють при високих тисках (450-1000 aт). Установки, що працюють при тиску - 100 aт, внаслідок їхньої складності й малої економічності рідко застосовуються в промисловості. При тиску 200 aт. в світі працює всього біля десятка заводів. У цих системах стиск азотоводної суміші звичайно виробляється турбокомпресорами.

Технологія виробництва аміаку з азоту й водню постійно вдосконалюється. Останнім часом застосовуються: конверсія природного газу в трубчастих печах під тиском для одержання водню; створення й впровадження в промисловість низькотемпературних каталізаторів; використання тепла хімічних реакцій аміачного виробництва.