Властивості аміаку

Нітрид водню з формулою NH₃ називається аміаком. Це легкий (легший за повітря) газ з різким запахом.

Будова

Молекула аміаку складається з одного атома азоту та трьох атомів водню.

На 2р-орбіталі азоту знаходиться три вільні електрони.

1. Будова молекули аміаку.

Якщо один атом водню замінити вуглеводневим радикалом (C_nH_m), вийде нове органічне речовина – амін.

До молекули аміаку можуть приєднатися₂Н₄, З₆Н₄, (С₂Н₄)₂ та інші речовини, що містять кілька атомів вуглецю та водню.

2. Утворення амінів.

У аміаку та амінів залишається вільної пари електронів азоту, тому властивості двох речовин схожі.

Фізичні

Основні фізичні властивості аміаку:

• безбарвний газ;
• різкий запах;
• хороша розчинність у воді (на один об'єм води 700 об'ємів аміаку при 20 ° С, при 0 ° С - 1200);
• легше за повітря.

Аміак зріджується при температурі -33°С і стає твердим при -78°С.

У природі аміак виділяється при гнитті та розкладанні органічних речовин, що містять азот (білки, сечовина).

Хімічні

Ступінь окислення азоту у складі аміаку – -3, водню – +1.При утворенні аміаку водень окислює азот, забираючи в нього три електрони. За рахунок пари електронів азоту, що залишилася, і легкого відділення атомів водню аміак є активною сполукою, що вступає в реакції з простими і складними речовинами.

Основні хімічні властивості описані у таблиці.

Взаємодія

Продукти реакції

Рівняння

Світиться з утворенням азоту або взаємодіє з киснем у присутності каталізатора (платини), утворюючи оксид азоту

Аміак

Фенолфталеїн у цих розчинах забарвлюється малиновий колір, при додаванні кислот відбувається їх нейтралізація. Розчинність амідів змінюється в такій же послідовності, що і розчинність гідроксидів: - нерозчинний, - малорозчинний, і - добре розчинні.

• При нагріванні аміак розкладається, виявляє відновлювальні властивості. Так, він горить в атмосфері кисню, утворюючи воду та азот. Окислення аміаку повітрям на платиновому каталізаторі дає оксиди азоту, що використовується в промисловості для одержання азотної кислоти:

На відновлювальній здатності засноване застосування нашатирю для очищення поверхні металу від оксидів при їх паянні:

Окислюючи аміак гіпохлоритом натрію у присутності желатину, одержують гідразин:

• Галогени (хлор, йод) утворюють з аміаком небезпечні вибухові речовини - галогеніди азоту (хлористий азот, йодистий азот).

• З галогеноалканами аміак входить у реакцію нуклеофільного приєднання, утворюючи заміщений іон амонію (спосіб отримання амінів):

• З карбоновими кислотами, їх ангідридами, галогенангідридами, ефірами та іншими похідними дає аміди. З альдегідами та кетонами — основи Шиффа, які можна відновити до відповідних амінів (відновне амінування).

• При 1000 C аміак реагує з вугіллям, утворюючи синильну кислоту і частково розкладаючись на азот і водень. Також він може реагувати з метаном, утворюючи ту ж саму синильну кислоту:

• .

• З солями міді та зі сріблом утворює комплексні солі-аміакати.

Історія

Аміак був вперше виділений у чистому вигляді Дж. Прістлі в 1774 році, який назвав його «лужне повітря» (англ. alkaline air). Через одинадцять років, в 1785 К. Бертолле встановив точний хімічний склад аміаку. З того часу у світі почалися дослідження з одержання аміаку з азоту та водню. Аміак був дуже потрібний для синтезу сполук азоту, оскільки отримання їх із чилійської селітри обмежувалося поступовим виснаженням запасів останньої. Проблема зменшення запасів селітри загострилася наприкінці ХІХ століття. Тільки на початку XX століття вдалося винайти процес синтезу аміаку, придатний для промисловості. Це здійснив Ф. Габер, який почав працювати над цим завданням в 1904 році і до 1909 створив невеликий контактний апарат, в якому використовував підвищений тиск (відповідно до принципу Ле-Шательє) і каталізатор з осмію. 2 липня 1909 Габер влаштував випробування апарату в присутності К. Боша і А. Мітташа, обидва - від Баденського анілінового і содового заводу (BASF), і отримав аміак. К. Бош до 1911 року створив великомасштабну версію апарату для BASF, а потім був побудований і 9 вересня 1913 вступив в дію перший у світі завод із синтезу аміаку, який був розташований в Оппау (нині район у межах міста Людвігсхафен-на-Рейні) та належав BASF. У 1918 році Ф. Габер став лауреатом Нобелівської премії з хімії «за синтез аміаку зі складових його елементів».В Росії та СРСР першу партію синтетичного аміаку було отримано у 1928 році на Чорноріченському хімічному комбінаті.

Походження назви

Аміак (у європейських мовах його назва звучить як «аммоніак») своєю назвою завдячує оазі Аммона в Північній Африці, розташованому на перехресті караванних шляхів. У жаркому кліматі сечовина (NH₂)₂CO, що міститься у продуктах життєдіяльності тварин, розкладається особливо швидко. Одним із продуктів розкладання і є аміак. За іншими відомостями, аміак отримав свою назву від давньоєгипетського слова амоніан. Так називали людей, що поклоняються богу Амону. Вони під час своїх ритуальних обрядів нюхали мінерал нашатир (NH₄Cl), який при нагріванні випаровує аміак.

Рідкий аміак

Рідкий аміак, хоч і незначною мірою, дисоціює на іони (автопротоліз), у чому проявляється його схожість з водою:

Константа самоіонізації рідкого аміаку при −50 °C становить приблизно 10 −33 (моль/л)².

Рідкий аміак, як і вода, є сильним іонізуючим розчинником, в якому розчиняється ряд активних металів: лужні, лужноземельні, , а також і . На відміну від води з рідким аміаком ці метали не реагують, а саме розчиняються і можуть бути виділені у вихідному вигляді при випаровуванні розчинника. Розчинність лужних металів у рідкому становить кілька десятків відсотків. У рідкому аміаку також розчиняються деякі інтерметаліди, що містять лужні метали, наприклад, .

Розведені розчини металів у рідкому аміаку забарвлені у синій колір, концентровані розчини мають металевий блиск та схожі на бронзу.При випаровуванні аміаку лужні метали виділяються в чистому вигляді, а лужноземельні - у вигляді комплексів з аміаком, що мають металеву провідність. При слабкому нагріванні ці комплекси розкладаються на метал та .

Розчинений метал поступово реагує з утворенням аміду:

Отримані в результаті реакції з аміаком аміди металів містять негативний іон, який також утворюється при самоіонізації аміаку. Таким чином, аміди металів є аналогами гідроксидів. Швидкість реакції зростає при переході від . Реакція значно прискорюється у присутності навіть невеликих домішок.

Металоаміачні розчини мають металеву провідність, в них відбувається розпад атомів металу на позитивні іони і сольватовані електрони, оточені молекулами . Металоаміачні розчини, які містять вільні електрони, є найсильнішими відновниками.

Комплексоутворення

Завдяки своїм електронодонорним властивостям молекули NH₃ можуть входити як ліганд у комплексні сполуки. Так, введення надлишку аміаку в розчини солей d-металів призводить до утворення їх амінокомплексів:

Комплексоутворення зазвичай супроводжується зміною забарвлення розчину. Так, у першій реакції блакитний колір ( ) переходить у темно-синій (забарвлення комплексу), а в другій реакції забарвлення змінюється із зеленої ( ) у синьо-фіолетову. Найбільш міцні комплекси з утворюють хром та кобальт у ступені окислення +3.

Біологічна роль

Аміак є важливим джерелом азоту живих організмів.Незважаючи на високий вміст вільного азоту в атмосфері (понад 75 %), дуже мало живих істот здатні використовувати вільний, нейтральний, двоатомний азот атмосфери, газ. Тому для включення азоту атмосфери в біологічний оборот, зокрема синтез амінокислот і нуклеотидів, необхідний процес, який називається «азотфіксацією». Деякі рослини залежать від доступності аміаку та інших нітрогенних сполук, що утворюються у ґрунті внаслідок розкладання органічних (рослинних та тварин) залишків. Інші, такі як бобові, використовують переваги симбіозу з азотфіксуючими бактеріями (ризобіями), які здатні синтезувати аміак з атмосферного азоту за допомогою ферментів, які називаються нітрогеназами. І хоча малоймовірно, що будь-коли будуть винайдені біоміметичні методи, здатні конкурувати за продуктивністю з хімічними методами виробництва аміаку з азоту, проте, вчені докладають великих зусиль до того, щоб якнайкраще зрозуміти механізми біологічної фіксації азоту. Науковий інтерес до цієї проблеми частково мотивується незвичайною структурою активного каталітичного центру азотфіксуючого ферменту (нітрогенази), що містить незвичайний молекулярний біметалічний ансамбль.

Аміак є кінцевим побічним продуктом метаболізму амінокислот, а саме продуктом їх дезамінування, що каталізується такими ферментами, як глутамат-дегідрогеназу. Екскреція аміаку у незміненому вигляді є звичайним шляхом детоксикації аміаку у водних істот (риби, водні безхребетні, частково амфібії).У ссавців, включаючи людину, аміак зазвичай швидко перетворюється на сечовину, яка набагато менш токсична і, зокрема, має менш лужну реакцію та меншу реакційну здатність як відновник. Сечовина є основним компонентом сухого залишку сечі. Більшість птахів, плазунів, комах, павукоподібних, проте, виділяють як основний нітрогенний залишок не сечовину, а сечову кислоту.

Аміак також відіграє важливу роль як у нормальній, так і у патологічній фізіології тварин. Аміак виробляється у процесі нормального метаболізму амінокислот, проте дуже токсичний у високих концентраціях. Печінка тварин перетворює аміак на сечовину за допомогою серії послідовних реакцій, відомих як цикл сечовини. Порушення функції печінки, таке, наприклад, яке спостерігається при цирозі печінки, може призводити до порушення здатності печінки знешкоджувати аміак і утворювати з нього сечовину, і, як наслідок, до підвищення рівня аміаку в крові, стану, що називається гіперамоніємія. До аналогічного результату – підвищення рівня вільного аміаку в крові та розвитку гіперамоніємії – призводить наявність вроджених генетичних дефектів у ферментах циклу сечовини, таких, наприклад, як орнітин-карбамілтрансфераза. До того ж результату може призводити порушення видільної функції нирок при тяжкій нирковій недостатності та уремії: внаслідок затримки виділення сечовини її рівень у крові зростає настільки, що «цикл сечовини» починає працювати «у зворотний бік» — надлишок сечовини гідролізується нирками в аміак і вуглекислий газ, і, як наслідок, рівень аміаку у крові зростає.Гіпераммоніємія робить свій внесок у порушення свідомості та розвиток сопорозних та коматозних станів при печінковій енцефалопатії та уремії, а також у розвиток неврологічних порушень, які часто спостерігаються у хворих з вродженими дефектами ферментів циклу сечовини або з органічними ацидуріями.

Менш виражена, проте клінічно суттєва, гіперамоніємія може спостерігатися при будь-яких процесах, при яких спостерігається підвищений катаболізм білків, наприклад, при великих опіках, синдромі здавлення або розмозження тканин, широких гнійно-некротичних процесах, гангрені кінцівок, сепсисі і т. д., а також при деяких ендокринних порушеннях, таких як цукровий діабет, важкий тиреотоксикоз. Особливо висока ймовірність виникнення гіперамоніємії при цих патологічних станах у тих випадках, коли патологічний стан, крім підвищеного катаболізму білків, викликає також виражене порушення детоксикуючої функції печінки або функції нирок.

Аміак важливий підтримки нормального кислотно-лужного балансу крові. Після утворення аміаку з глютаміну, альфа-кетоглутарат може бути розщеплений далі з утворенням двох молекул гідрокарбонату, які потім можуть використовуватися як буфер для нейтралізації кислот, що надходять з їжею. Отриманий з глютаміну аміак потім виділяється із сечею (як безпосередньо, так і у вигляді сечовини), що, з урахуванням утворення двох молекул бікарбонату з кетоглутарату, призводить до втрати кислот і зсуву pH крові в лужний бік. Крім того, аміак може дифундувати через ниркові канальці, з'єднуватися з іоном водню і екскретуватися разом з ним ( ), і тим більше сприяти виведенню кислот з організму.

Аміак та іони амонію є токсичним побічним продуктом метаболізму у тварин. У риб та водних безхребетних аміак виділяється безпосередньо у воду. У ссавців (включаючи водних ссавців), земноводних і в акул аміак у циклі сечовини перетворюється на сечовину, оскільки сечовина набагато менш токсична, менш хімічно реакційноздатна і може більш ефективно зберігатися в організмі до моменту можливості її виділення. У птахів і плазунів (рептилій) аміак, що утворився в процесі метаболізму, перетворюється на сечову кислоту, яка є твердим залишком і може бути виділена з мінімальними втратами води.

Оскільки аміак утворюється при гниття білка, наявність їх у природних водах є ознакою їх забрудненості.

Фізіологічна дія та токсикологія

Аміак NH₃ (Амоніак, нітрид водню) відноситься до помірно-токсичних хімічних речовин, проте у великих концентраціях (як і інші пніктогеноводороди) він може стати сильною отрутою для людини.

За фізіологічною дією на організм відноситься до групи речовин задушливої ​​та нейротропної дії, здатних при інгаляційному ураженні викликати токсичний набряк легень та тяжке ураження нервової системи. Аміак має як місцеву, так і резорбтивну дію.

Пари аміаку сильно дратують слизові оболонки очей та органів дихання, а також шкірні покриви. Це людина сприймає як різкий запах. Пари аміаку викликають рясну сльозотечу, біль в очах, хімічний опік кон'юнктиви та рогівки, втрату зору, напади кашлю, почервоніння та свербіж шкіри. При дотику зрідженого аміаку та його розчинів зі шкірою виникає печіння, можливий хімічний опік з бульбашками, виразками.Крім того, скраплений аміак при випаровуванні поглинає тепло, і при зіткненні зі шкірою виникає обмороження різного ступеня. Запах аміаку відчувається при концентрації 37 мг/м³.

Гранично допустима концентрація аміаку повітря робочої зони виробничого приміщення (ПДКр.з.) становить 20 мг/м³. В атмосферному повітрі населених пунктів та у житлових приміщеннях середньодобова концентрація аміаку (ГДКс.с.) не повинна перевищувати 0,04 мг/м³. Максимальна разова концентрація в атмосфері – 0,2 мг/м³. Таким чином, відчуття запаху аміаку свідчить про перевищення допустимих норм.

Роздратування зіва проявляється при вмісті аміаку в повітрі 280 мг/м³, око – 490 мг/м³. При дії в дуже високих концентраціях аміак викликає ураження шкіри: 7-14 г/м - еритематозний, 21 г / м і більше - буллезний дерматит. Токсичний набряк легень розвивається при дії аміаку протягом години з концентрацією 1,5 г/м³. Короткочасний вплив аміаку в концентрації 3,5 г/м³ і швидше призводить до розвитку загальнотоксичних ефектів.

У світі максимальна концентрація аміаку в атмосфері (більше 1 мг/м³) спостерігається на Індо-Гангській рівнині, Центральній долині США та Туркестанській (раніше — Південно-Казахстанській) області Казахстану.

Застосування

В основному використовується для виробництва азотних добрив (нітрат та сульфат амонію, сечовина), вибухових речовин та полімерів, азотної кислоти, соди (за аміачним методом) та інших продуктів хімічної промисловості. Рідкий аміак використовують як розчинник.

У холодильній техніці використовується як холодильний агент (R717) .

У медицині 10% розчин аміаку, найчастіше званий нашатирним спиртом, застосовується при непритомних станах (для збудження дихання), для стимуляції блювоти, а також зовнішньо - невралгії, міозити, укуси комах, для обробки рук хірурга. При неправильному застосуванні може спричинити опіки стравоходу та шлунка (у разі прийому нерозведеного розчину), рефлекторну зупинку дихання (при вдиханні у високій концентрації).

Застосовують місцево, інгаляційно та внутрішньо. Для порушення дихання та виведення хворого з непритомного стану обережно підносять невеликий шматок марлі або вати, змочений нашатирним спиртом, до носа хворого (на 0,5-1 с). Всередину (тільки у розведенні) для індукції блювання. При укусах комах - як примочок; при невралгіях та міозитах - розтирання аміачним лініментом. У хірургічній практиці розводять у теплій кип'яченій воді та миють руки.

Оскільки аміак є слабкою основою, при взаємодії із кислотами він їх нейтралізує.

Фізіологічна дія нашатирного спирту обумовлена ​​різким запахом аміаку, який подразнює специфічні рецептори слизової оболонки носа та сприяє збудженню дихального та судинно-рухового центрів мозку, викликаючи почастішання дихання та підвищення артеріального тиску.

Протиморозна добавка для сухих будівельних розчинів, що відноситься до прискорювачів. Дозування, що рекомендується, — 2… 8 % маси компонентів сухої суміші, залежно від температури застосування. Аміачна вода — продукт, що є газоподібним аміаком, розчиненим у воді.

Отримання

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

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

Реакція відбувається з виділенням тепла та зниженням об'єму. Отже, виходячи з принципу Ле-Шательє, реакцію слід проводити за можливо низьких температур і при високих тисках — тоді рівновага буде зміщена вправо. Однак швидкість реакції при низьких температурах дуже мала, а при високих збільшується швидкість зворотної реакції. Проведення реакції при дуже високих тисках вимагає створення спеціального обладнання, що витримує високий тиск, а значить, і великих капіталовкладень. Крім того, рівновага реакції навіть при 700 ° C встановлюється занадто повільно для практичного використання.

Вихід аміаку (в об'ємних відсотках) за один прохід каталізатора при різних температурах та тиску має такі значення:

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

Враховуючи всі вищенаведені фактори, процес отримання аміаку проводять за таких умов: 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 економічнішим, ніж досягнення вищого виходу реакції рахунок підвищення тиску.

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

Зазвичай лабораторним способом аміак отримують слабким нагріванням суміші хлориду амонію з гашеним вапном.

Для осушення аміаку його пропускають через суміш вапна з їдким натром.

Дуже сухий аміак можна отримати, розчиняючи у ньому металевий натрій і згодом переганяючи. Це краще робити в системі, виготовленій із металу під вакуумом. Система повинна витримувати високий тиск (при кімнатній температурі тиск насиченої пари аміаку близько 10 атмосфер). У промисловості аміак осушують в абсорбційних колонах.

Витратні норми на тонну аміаку

На виробництво однієї тонни аміаку в Росії витрачається в середньому 1200 н.м³ природного газу, в Європі - 900 н.м³.

Білоруський «Гродно Азот» витрачає 1200 н.м³ природного газу на тонну аміаку, після модернізації очікується зниження витрати до 876 н.м³.

Українські виробники споживають від 750 н.м³ до 1170 н.м³ природного газу на тонну аміаку.

За технологією UHDE заявляється споживання 6,7-7,4 Гкал енергоресурсів на тонну аміаку.

Аміак у медицині

При укусах комах аміак застосовують зовнішньо як примочок. 10% водний розчин аміаку відомий як нашатирний спирт.

Можливі побічні дії: при тривалій експозиції (інгаляційне застосування) аміак може спричинити рефлекторну зупинку дихання.

Місцеве застосування протипоказане при дерматитах, екземах, інших захворюваннях шкіри, а також при відкритих травматичних пошкодженнях шкірних покривів.

При випадковому ураженні аміаком слизової оболонки ока промити очі водою (по 15 разів через кожні 10 хв) або 5 % розчином борної кислоти, не розтираючи очі. Олії та мазі не застосовують. При ураженні носа та глотки – 0,5 % розчин лимонної кислоти або натуральні соки.У разі прийому внутрішньо пити воду, фруктовий сік, молоко, краще - 0,5% розчин лимонної кислоти або 1% розчин оцтової кислоти до повної нейтралізації вмісту шлунка.

Взаємодія з іншими лікарськими засобами невідома.

Виробники аміаку

Виробники аміаку в Україні

Перед Росії припадає близько 9 % світового випуску аміаку. Росія - один із найбільших світових експортерів аміаку. На експорт поставляється близько 25% загального обсягу виробництва аміаку, що становить близько 16% світового експорту.

За підсумками 2014 року в Росії було вироблено 14,8 млн. тонн аміаку (+2% до 2013 року) (за даними Росстату). Виробництво аміаку в Росії сконцентровано у Приволзькому федеральному окрузі (46% за підсумками 2014 року). Далі йдуть Центральний федеральний округ (23%) та Північно-Західний федеральний округ (16%).

Близько 25% російського виробництва аміаку вирушає експорту. Так, у 2014 році обсяг російського експорту аміаку (за даними ФМС) становив 3,6 млн тонн (+6% до 2013 року) на суму 1,6 млрд дол. США.

Ключовими країнами-отримувачами у 2014 році стали Україна, Фінляндія та Литва.

Виробники аміаку в Україні.

Цікаві факти

• Пари нашатирного спирту здатні змінювати забарвлення кольорів. Наприклад, блакитні та сині пелюстки стають зеленими, яскраво-червоні – чорними.

• Хмари Юпітера складаються з аміаку.

• Деякі квіти, що не мають запаху від природи, після обробки аміаком починають пахнути. Наприклад, приємний аромат набувають айстри.
• Нашатирний спирт реагує з йодом з утворенням вкрай нестабільного аддукту (йодистий азот) у сухому кристалічному стані, що використовується як ефектний хімічний досвід.