Властивості аміаку

Нітрид водню з формулою NH₃ називається аміаком. Це легкий (легший за повітря) газ із різким запахом. Будова молекули визначає фізичні та хімічні властивості аміаку.

Будова

Молекула аміаку складається з одного атома азоту та трьох атомів водню. Зв'язки між атомами водню та азоту ковалентні. Молекула аміаку має форму тригональної піраміди.

На 2р-орбіталі азоту знаходиться три вільні електрони. З ними вступають у гібридизацію три атоми водню, утворюючи тип гібридизації sp 3 .

Мал. 1. Будова молекули аміаку.

Якщо один атом водню замінити вуглеводневим радикалом (C_nH_m), вийде нова органічна речовина - амін. Заміщатися може лише один атом водню, а й усі три. Залежно кількості заміщених атомів розрізняють три виду амінів:

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

Мал. 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°З стає твердим при -78°С. Концентрований розчин містить 25% аміаку і має густину 0,91 г/см 3 . Рідкий аміак розчиняє неорганічні та органічні речовини, але не проводить електричний струм.

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

Області знань: Неорганічна хімія, Альтернативні види палива Інші найменування: Нітрид водню, амоніак Брутто-формула: NH3 Молярна маса: 17,0306 г/моль Температура плавлення: -77,73 °C Температура кипіння: -33,34 : Газоподібна Щільність при н. у.: 0,7714 г/см³

Аміак

Аміак [скорочення від грец. ἅλς Ἀμμωνιακός, лат. sal Ammoniacus; так називався нашатир (хлорид амонію), який отримували шляхом спалювання верблюжого гною в оазі Аммоніум в Лівійській пустелі], найпростіша хімічна сполука азоту з воднем , NН₃; багатотоннажний продукт хімічної промисловості.

Властивості

Молекула N₃ має форму правильної піраміди з атомом азоту у вершині; зв'язку NН полярні, енергія зв'язку NH 389,4 кДж/моль. У атома N є неподілена пара електронів, яка обумовлює здатність аміаку до утворення донорно-акцепторного та водневого зв'язків. Аміак. Структура молекули. Архів БРЕ. Аміак. Структура молекули. Архів БРЕ. Молекула N₃ здатна до інверсії – «викручування навиворіт» шляхом проходження атома азоту крізь утворену атомами водню площину основи піраміди.

Аміак – безбарвний газ із різким запахом; t_пл -77,7 ° C; t_стос -33,35 ° C; щільність газоподібного NН₃ (При 0 ° C, 0,1 МПа) 0,7714 кг/м 3 ; теплота утворення аміаку з елементів ΔН_обр -45,94 кДж/моль. Суха суміш аміаку з повітрям (15,5–28% за масою NН₃) здатна вибухати. Рідкий NН₃ - Безбарвна рідина, що сильно заломлює світло, хороший розчинник для багатьох органічних і неорганічних сполук. Аміак легко розчинний у воді (33,1% за масою при 20 ° C), дещо гірше у спирті, ацетоні, бензолі, хлороформі. Розчин аміаку у воді – аміачна вода – безбарвна рідина із запахом аміаку; розчин, що містить 10% за масою NН₃має торгову назву нашатирний спирт. У водному розчині аміаку частково іонізовано на N і ОН – , що зумовлює лужну реакцію розчину (рK 9247).

Розкладання аміаку на водень і азот стає помітним за температури вище 1200 °C, у присутності каталізаторів (Fe, Ni) – вище 400 °C. Аміак дуже реакційне з'єднання. Він типові реакції приєднання, зокрема протона при взаємодії з кислотами . В результаті утворюються солі амонію, які за багатьма властивостями подібні до солей лужних металів. Аміак – основа Льюїса, що приєднує не тільки Н+, але й інші акцептори електронів, наприклад, ВF₃ з освітою ВF₃· NН₃. Дією N₃ на прості або комплексні солі металів отримують аміакати, наприклад цис-[PtCl₂(NH₃)₂]. Для аміаку характерні також реакції заміщення. Лужні та лужноземельні метали утворюють з NН₃ аміди (наприклад, NaNH₂). При нагріванні в атмосфері аміаку багато металів і неметалів (Zn, Cd, Fe, Cr, B, Si та ін) утворюють нітриди (наприклад, BN). При температурі близько 1000 ° C NН₃ реагує з вуглецем, утворюючи ціановодень HCN і частково розкладаючись на N₂ та Н₂. Утворює із СО₂ карбамат амонію NH₂COONH₄, який при температурі 160-200 ° C та тиску до 40 МПа розпадається на воду та сечовину . Водень в аміаку може бути заміщений галогенами. Аміак горить в атмосфері₂, утворюючи воду та N₂. Каталітичним окисненням аміаку (каталізатор Рt) отримують NO (реакцію використовують у виробництві азотної кислоти), окисненням аміаку в суміші з метаном - HCN.

Отримання та застосування

У природі аміак утворюється при розкладанні азотовмісних сполук. У 1774 р. Дж. Прістлі вперше зібрав у ртутній ванні аміак, що утворюється при дії вапна на хлорид амонію. Найстаріший промисловий спосіб отримання NН₃ - Виділення аміаку з відхідних газів при коксуванні вугілля.

Основний спосіб отримання аміаку – синтез його з азоту та водню, запропонований 1908 р. Ф. Габером. Синтез аміаку в промисловості здійснюють за реакцією N 2 + 3 Н 2 ⇄ 2 N Н 3 N_2+3Н_2⇄2NН_3 N 2 + 3 Н 2 ⇄ 2 N Н 3 . Зсуву рівноваги вправо сприяють підвищення тиску та зниження температури. Процес проводять при тиску близько 30 МПа та температурі 450–500 °C у присутності каталізатора – Fe, активованого оксидами K₂О, Аl₂Про₃, СаО та ін. При одноразовому проходженні через масу каталізатора можливе перетворення на аміак лише 20–25% вихідної газової суміші; для повного перетворення потрібна багаторазова циркуляція. Основна сировина для отримання Н₂ у виробництві аміаку – природний горючий газ, що переробляється методом двоступінчастої парогазової конверсії метану.

Виробництво аміаку включає наступні стадії: очищення природного газу від сірчистих сполук каталітичним гідруванням їх до Н₂S c подальшим поглинанням сірководню оксидом цинку; парову конверсію природного газу під тиском 3,8 МПа при температурі 860 °C на каталізаторі Ni – Al у трубчастій печі (первинний риформінг); пароповітряну конверсію залишкового метану у шахтному конвертері (вторинний риформінг) при 990–1000 °C та 3,3 МПа на каталізаторі Ni – Al; на цьому етапі водень збагачується азотом з атмосферного повітря для отримання суміші азоту з воднем (співвідношення за обсягом 1:3), що надходить на синтез NН₃; конверсію СО до СО₂ та Н₂ спочатку при 450 °C і 3,1 МПа на каталізаторі Fe - Cr, потім при 200-260 °C та 3,0 МПа на каталізаторі Zn – Cr – Cu; очищення Н₂ від СО₂ абсорбцією розчином моноетаноламіну або гарячим розчином K₂СО₃ при 2,8 МПа; очищення суміші Н₂ та N₂ шляхом гідрування від залишкових СО та СО₂ у присутності каталізатора Ni - Al при 280 °C та 2,6 МПа; компримування (стиснення) очищеного газу до 15–30 МПа та синтез аміаку на залізному промотованому каталізаторі при 400–500 °C реакторі синтезу з насадкою з радіальним або аксіальним ходом газу. Рідкий аміак, що поставляється в промисловість, містить не менше 99,96% за масою NH₃. В аміак, що транспортується трубопроводом, додається до 0,2–0,4% Н₂Про інгібування корозії стали.

Сучасна технологія синтезу аміаку полягає в отриманні азоту з повітря, а водню – з води за допомогою електролізера, що працює на відновлюваній енергії. Отриманий у такий спосіб аміак називають зеленим аміаком , через відсутність викидів вуглекислого газу за його виробництві. Залежно від способу виробництва та обсягу викидів CO₂ розрізняють блакитний та сірий аміак.

Аміак застосовують у виробництві азотної кислоти, сечовини, солей амонію, амофосу, уротропіну, соди (за аміачним методом), як рідке добриво, в якості холодоагенту та ін. Пучок молекул NH₃ був використаний як робоча речовина у першому квантовому генераторі – мазері (1954).

Аміак токсичний. При вмісті повітря 0,02% аміаку за обсягом дратує слизові оболонки. Рідкий аміак спричиняє сильні опіки шкіри.

Світове виробництво аміаку (у перерахунку на N) близько 147 млн ​​т/рік (2020), зокрема в РФ 16,1 млн т/рік.

Опубліковано 17 червня 2022 р. о 14:49 (GMT+3). Останнє оновлення 17 червня 2022 р. о 14:49 (GMT+3). Зв'язатися з редакцією