Амиак: свойства, производство и применение¶

Аммиак — химическое соединение азота и водорода с формулой NH₃, при нормальных условиях представляющее собой бесцветный газ с резким удушливым запахом. Это одно из важнейших соединений азота в промышленности: на его основе производится большинство азотных удобрений, а также значительная часть взрывчатых веществ, полимеров и лекарственных препаратов. Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды, хорошо растворима в воде с образованием слабощелочного раствора (гидроксида аммония).

¶Физические и химические свойства

При нормальных условиях аммиак — газ легче воздуха (плотность по воздуху около 0,59), температура кипения составляет −33,34 °C, температура плавления −77,73 °C. Благодаря относительно высокой температуре кипения аммиак легко сжижается при умеренном давлении, что используется при его хранении и транспортировке в виде жидкости.

Аммиак хорошо растворяется в воде: при 20 °C в одном объёме воды растворяется около 700 объёмов газа. Водный раствор (аммиачная вода, нашатырный спирт) проявляет слабые основные свойства. Химически аммиак довольно активен:

• взаимодействует с кислотами, образуя соли аммония (например, хлорид аммония NH₄Cl, сульфат аммония (NH₄)₂SO₄);
• горит в кислороде с образованием азота и воды, а в присутствии катализатора окисляется до оксида азота(II) — ключевая реакция промышленного синтеза азотной кислоты;
• вступает в реакции замещения, образуя амиды, имиды и нитриды металлов;
• образует комплексные соединения с солями многих металлов (аммиакаты).

¶История открытия

В чистом виде аммиак впервые выделил английский химик Джозеф Пристли в 1774 году. Состав соединения установил Клод Луи Бертолле в 1784 году, а элементный анализ выполнил Хамфри Дэви. Промышленное значение аммиака резко возросло после разработки в 1908–1913 годах процесса Габера — Боша — каталитического синтеза аммиака из азота и водорода при высоком давлении и температуре. Эта технология впервые позволила получать связанный азот в промышленных масштабах, что стало основой производства азотных удобрений и изменило мировое сельское хозяйство.

¶Производство

Основной промышленный метод получения аммиака — прямой синтез из простых веществ:

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q

Реакция экзотермична и обратима, поэтому для смещения равновесия применяют высокое давление (200–350 атм) и умеренную температуру (400–500 °C) в присутствии катализатора на основе железа с добавками оксидов калия, алюминия и кальция. Водород обычно получают конверсией природного газа или газификацией угля, азот — из воздуха.

Современные крупные агрегаты синтеза аммиака имеют мощность до 1,5–2 тысяч тонн в сутки. Мировое производство аммиака измеряется сотнями миллионов тонн в год; крупнейшие производители — Китай, Индия, Россия, США и страны Ближнего Востока.

¶Применение

Основная доля производимого аммиака (порядка 80 %) расходуется на производство азотных удобрений: карбамида, аммиачной селитры, сульфата аммония, аммофоса. Остальное направляется на другие нужды:

• производство азотной кислоты, которая затем используется для удобрений и взрывчатых веществ;
• синтез капролактама и других полупродуктов для полимеров, в том числе нейлона;
• производство мочевины, меламина, синильной кислоты;
• холодильная техника — аммиак применяется как хладагент в промышленных холодильных установках;
• очистка выбросов: водный раствор аммиака связывает оксиды серы и азота в дымовых газах;
• фармацевтика и бытовая химия — нашатырный спирт используется как средство первой помощи и компонент чистящих составов.

¶Физиологическое действие и техника безопасности

Аммиак токсичен: он раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей, при высоких концентрациях вызывает отёк лёгких и поражение нервной системы. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны в России составляет 20 мг/м³. Газ горюч, при концентрации в воздухе 15–28 % образует взрывоопасные смеси.

При работе с жидким аммиаком применяют герметичное оборудование, средства индивидуальной защиты, а также системы контроля утечек. Первая помощь при отравлении — вынос пострадавшего на свежий воздух, промывание глаз и слизистых водой, при необходимости — кислородотерапия. Для перевозки жидкого аммиака используют специальные цистерны и трубопроводы.

¶Аммиак в природе и в организме

Аммиак постоянно образуется в природе при гниении белковых веществ и разложении органических остатков. В атмосфере он присутствует в следовых количествах и участвует в образовании аэрозолей. В живых организмах аммиак — промежуточный продукт обмена аминокислот; у человека он обезвреживается в печени в цикле мочевины и выводится с мочой. Нарушение этого процесса ведёт к накоплению аммиака в крови (гипераммониемия), что является опасным состоянием.

¶Аммиак как перспективное энергоноситель

В XXI веке аммиак рассматривается как возможный «энергетический вектор» — удобный способ транспортировки водорода, поскольку его сжижение и хранение дешевле, чем у чистого водорода. Ведутся разработки двигателей и топливных элементов, работающих на аммиаке, а также проекты его использования как безуглеродного топлива в судоходстве. Эти направления пока находятся на стадии исследований и пилотных установок.