Амиак: свойства, синтез и применение¶

Амиак (нитрид водорода, NH₃) — бинарное химическое соединение азота и водорода, при нормальных условиях представляющее собой бесцветный газ с резким удушливым запахом, легче воздуха, чрезвычайно хорошо растворимый в воде. Молекула амиака имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине; валентный угол H—N—H составляет около 107°, что обусловлено наличием неподелённой электронной пары у азота. Это соединение относится к классу летучих оснований и играет ключевую роль в промышленности азотных удобрений, холодильной технике и химическом синтезе.

¶Физические и химические свойства

При атмосферном давлении амиак кипит при −33,34 °C и затвердевает при −77,73 °C, образуя бесцветные кристаллы. Газ легко сжижается, что делает удобным его хранение и транспортировку в баллонах под давлением. Растворимость в воде исключительно высока: при 20 °C один объём воды поглощает около 700 объёмов газа, образуя так называемую аммиачную воду (гидроксид амиака, NH₄OH), которая проявляет слабоосновные свойства.

Водный раствор амиака диссоциирует с образованием ионов аммония NH₄⁺ и гидроксид-ионов OH⁻, что позволяет ему реагировать с кислотами с образованием солей — например, с соляной кислотой даёт хлорид аммония (нашатырь). Амиак вступает в реакции присоединения, окисления (до оксидов азота или молекулярного азота) и замещения, образуя амиды, имиды и нитриды металлов. С воздухом в определённых пропорциях (16–25 % объёма) образует взрывоопасные смеси.

¶История открытия и изучения

Газообразный амиак впервые выделил в чистом виде английский химик Джозеф Пристли в 1774 году, хотя его водный раствор и соли были известны значительно раньше. Название веществу дал шведский химик Якоб Берцелиус в 1808 году, произведя его от латинского названия «аммониевых солей» (sal ammoniacus), которые получали вблизи храма Амона в Египте. Состав соединения — один атом азота и три атома водорода — установил Клод Луи Бертолле в 1785 году.

¶Промышленный синтез

Основным промышленным методом получения амиака остаётся процесс Габера — Боша, разработанный в 1908–1913 годах немецкими химиками Фрицем Габером и Карлом Бошем. Реакция протекает между азотом и водородом:

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q

Поскольку реакция экзотермична и сопровождается уменьшением объёма, для смещения равновесия в сторону продукта применяют высокое давление (200–350 атм) и умеренную температуру (400–500 °C) в присутствии катализаторов на основе железа с добавками оксидов калия, алюминия и кальция. Этот метод позволил наладить массовое производство азотных удобрений и фактически изменил мировое сельское хозяйство, за что Габер был удостоен Нобелевской премии по химии в 1918 году.

Современные заводы синтеза амиака — крупнотоннажные производства, часто интегрированные с установками парового риформинга природного газа, который служит источником водорода.

¶Применение

Основные направления использования амиака:

• Удобрения. До 80 % производимого амиака идёт на получение азотных удобрений — карбамида, нитрата аммония, сульфата аммония.
• Химический синтез. Служит сырьём для производства азотной кислоты (каталитическим окислением), взрывчатых веществ, полимеров (капрон, нейлон), красителей и фармацевтических препаратов.
• Холодильная техника. Благодаря высокой теплоте испарения применяется как хладагент в промышленных холодильных установках.
• Очистка газов. Используется для нейтрализации кислых газов, в том числе при очистке дымовых выбросов и в системах дезодорации.
• Бытовая химия. Водный раствор (нашатырный спирт) применяется как средство для чистки и в медицине при обмороках.

¶Биологическая роль и токсичность

Амиак — естественный продукт обмена веществ у животных и человека, образующийся при распаде аминокислот. В организме он обезвреживается в печени путём превращения в мочевину (цикл мочевины) и выводится почками. В биосфере амиак участвует в круговороте азота: нитрифицирующие бактерии окисляют его до нитритов и нитратов, а растения усваивают связанный азот.

Газ токсичен: раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей, при высоких концентрациях вызывает отёк лёгких и поражение нервной системы. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны составляет 20 мг/м³. Жидкий амиак при попадании на кожу вызывает тяжёлые обморожения.

¶Амиак в энергетике и перспективы

В последние десятилетия амиак рассматривается как перспективный энергоноситель и альтернативное топливо, поскольку при сгорании не выделяет углекислого газа. Ведутся разработки двигателей и топливных элементов на амиаке, а также проекты его использования для аккумуляции и транспортировки водорода. К числу проблем относятся токсичность, необходимость специальной инфраструктуры и образование оксидов азота при горении.

¶Интересные факты

• Слово «аммиак» в русском языке часто пишут как «амиак»; нормативное написание — «аммиак».
• Запах амиака человек ощущает уже при концентрации около 5 ppm.
• Юпитер и Сатурн содержат амиак в облачных слоях атмосферы.
• Мировое производство амиака превышает 180 млн тонн в год.