Аммиак: свойства, синтез и применение¶

Аммиак — химическое соединение азота и водорода с формулой NH₃, при нормальных условиях представляющее собой бесцветный газ с резким удушливым запахом. Это простейшее водородное соединение азота, играющее ключевую роль в промышленности, биологии и химии. Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды, что определяет его полярность и высокую растворимость в воде.

¶Физические и химические свойства

Аммиак — газ легче воздуха (плотность по воздуху около 0,6), температура плавления составляет −77,7 °C, кипения — −33,4 °C. Он хорошо растворяется в воде: при 20 °C в одном объёме воды растворяется около 700 объёмов газа, образуя так называемую аммиачную воду (нашатырный спирт). Водный раствор имеет слабощелочную реакцию за счёт образования гидроксида аммония.

Химически аммиак довольно активен. Он горит в кислороде, образуя азот и воду, а в присутствии катализатора окисляется до оксида азота(II) — ключевая реакция в производстве азотной кислоты. Аммиак проявляет основные свойства: реагирует с кислотами, образуя соли аммония (например, хлорид аммония NH₄Cl, сульфат аммония (NH₄)₂SO₄). С металлами он может образовывать амиды и нитриды.

¶История открытия и изучения

В свободном виде аммиак был выделен в 1774 году английским химиком Джозефом Пристли, который назвал его «щелочным воздухом». В 1784 году Клод Луи Бертолле установил, что этот газ состоит из азота и водорода. Состав NH₃ был окончательно определён в начале XIX века. Название «аммиак» происходит от латинского sal ammoniacus — так называли нашатырь, который получали вблизи храма Амона в Египте.

¶Промышленный синтез

До начала XX века аммиак получали главным образом сухой перегонкой каменного угля и из аммиачной воды коксовых печей. Перелом произошёл в 1908–1913 годах, когда немецкие химики Фриц Габер и Карл Бош разработали прямой синтез аммиака из азота и водорода при высоком давлении и температуре в присутствии катализатора. Этот процесс, известный как процесс Габера — Боша, стал основой современной азотной промышленности. Реакция протекает по уравнению:

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q

Синтез ведут при давлении 200–350 атм и температуре 400–500 °C с использованием железного катализатора с добавками оксидов калия, алюминия и кальция. Выход аммиака повышается при высоком давлении и низкой температуре, однако скорость реакции требует нагрева, поэтому условия подбирают компромиссно.

¶Применение

Основная часть производимого в мире аммиака (около 80 %) расходуется на производство азотных удобрений: карбамида, аммиачной селитры, сульфата аммония. Аммиак также служит сырьём для получения азотной кислоты, которая идёт на изготовление взрывчатых веществ, красителей, пластмасс.

Другие направления использования:

• Холодильная техника — аммиак применяется как хладагент в промышленных холодильных установках благодаря высокой теплоте испарения.
• Металлургия — используется для азотирования стали и создания защитных атмосфер при термообработке.
• Медицина — раствор аммиака (нашатырный спирт) применяется для возбуждения дыхания при обмороках.
• Химическая промышленность — производство синтетических волокон, смол, цианидов.
• Очистка выбросов — аммиак применяется для нейтрализации оксидов азота и серы в дымовых газах.

¶Биологическая роль

Аммиак является важным продуктом азотного обмена в живых организмах. У животных при распаде белков образуется токсичный аммиак, который в печени превращается в менее вредную мочевину (у млекопитающих) или мочевую кислоту (у птиц и рептилий). В растениях аммиак участвует в синтезе аминокислот. В природе аммиак образуется при гниении органических остатков и выделяется в атмосферу, где участвует в круговороте азота.

¶Токсичность и техника безопасности

Аммиак токсичен. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны составляет 20 мг/м³. При вдыхании высоких концентраций возникает раздражение слизистых оболочек, кашель, удушье; возможен отёк лёгких. Жидкий аммиак при попадании на кожу вызывает обморожение. Хранение и транспортировка осуществляются в сжиженном виде под давлением в специальных цистернах и баллонах. При утечках аммиак нейтрализуют водой или слабыми растворами кислот.

¶Аммиак в атмосфере и экологии

Аммиак относится к загрязнителям атмосферы. Основные источники выбросов — сельское хозяйство (животноводство, применение удобрений) и промышленность. В атмосфере аммиак реагирует с оксидами серы и азота, образуя мелкодисперсные соли аммония, которые входят в состав аэрозолей и способствуют образованию смога. Это делает контроль выбросов аммиака важной экологической задачей.

¶Мировое производство

Мировое производство аммиака превышает 150 млн тонн в год. Крупнейшие производители — Китай, Индия, Россия, США, страны Ближнего Востока. Сырьём для получения водорода служит природный газ (паровая конверсия метана), реже — уголь и нефтепродукты. Энергоёмкость процесса стимулирует поиск более экологичных технологий, включая электролиз воды на основе возобновляемых источников энергии.