Аммиак

АММИАК  [сокращенно от греческого ?μμωνιακ?ς; латинский sal ammoniacus; так назывался нашатырь (хлорид аммония), который получали путём сжигания верблюжьего навоза в оазисе Аммониум в Ливийской пустыне], простейшее химическое соединение азота с водородом, NH₃; многотоннажный продукт химической промышленности.

Свойства. Молекула NH₃ имеет форму правильной пирамиды с атомом азота в вершине; связи N—Н полярны, энергия связи N—Н 389,4 кДж/моль. У атома N имеется неподелённая пара электронов, которая обусловливает способность аммиака к образованию донорно-акцепторной и водородной связей. Молекула NH₃ способна к инверсии - «выворачиванию наизнанку» путём прохождения атома азота сквозь образованную атомами водорода плоскость основания пирамиды.

Аммиак - бесцветный газ с резким запахом; t_пл -77,7°С; t_кип -33,35°С; плотность газообразного NH₃ (при 0°С, 0,1 МПа) 0,7714 кг/м³; теплота образования аммиака из элементов ΔН_обр -45,94 кДж/моль. Сухая смесь аммиака с воздухом (15,5-28% по массе NH₃) способна взрываться. Жидкий NH₃- бесцветная, сильно преломляющая свет жидкость, хороший растворитель для многих органических и неорганических соединений. Аммиак легко растворим в воде (33,1% по массе при 20°С), несколько хуже в спирте, ацетоне, бензоле, хлороформе. Раствор аммиака в воде аммиачная вода - бесцветная жидкость с запахом аммиака; раствор, содержащий 10% по массе NH₃, имеет торговое название нашатырный спирт. В водном растворе аммиака частично ионизирован на NH⁺₄ и ОН^-, что обусловливает щелочную реакцию раствора (рК 9,247).

Разложение аммиака на водород и азот становится заметным при температуре выше 1200°С, в присутствии катализаторов (Fe, Ni) - выше 400°С. Аммиак весьма реакционно-способное соединение. Для него типичны реакции присоединения, в частности протона при взаимодействии с кислотами. В результате образуются соли аммония, которые по многим свойствам подобны солям щелочных металлов. Аммиак - основание Льюиса, присоединяет не только Н⁺, но и другие акцепторы электронов, например BF₃ с образованием BF₃?NH₃. Действием NH₃ на простые или комплексные соли металлов получают аммиакаты, например цис-[PtCl₂(NH₃)₂]. Для аммиака характерны также реакции замещения. Щелочные и щёлочноземельные металлы образуют с NH₃ амиды (например, NaNH₂). При нагревании в атмосфере аммиака многие металлы и неметаллы (Zn, Cd, Fe, Cr, В, Si и др.) образуют нитриды (например, BN). При температуре около 1000°С NH₃ реагирует с углеродом, образуя циановодород HCN и частично разлагаясь на N₂ и Н₂. Образует с СО₂ карбамат аммония NH₂COONH₄, который при температуре 160-200°С и давлении до 40 МПа распадается на воду и мочевину. Водород в аммиаке может быть замещён галогенами. Аммиак горит в атмосфере О₂, образуя воду и N₂. Каталитическим окислением аммиака (катализатор Pt) получают NO (реакцию используют в производстве азотной кислоты), окислением аммиака в смеси с метаном - HCN.

Получение и применение. В природе аммиак образуется при разложении азотсодержащих соединений. В 1774 Дж. Пристли впервые собрал в ртутной ванне аммиак, образующийся при действии извести на хлорид аммония. Старейший промышленный способ получения NH₃ - выделение аммиака из отходящих газов при коксовании угля.

Основной современный способ получения аммиака - синтез его из азота и водорода, предложенный в 1908 Ф. Габером. Синтез аммиака в промышленности осуществляют по реакции N₂ + ЗН₂→←2NH₃. Сдвигу равновесия вправо способствуют повышение давления и понижение температуры. Процесс проводят при давлении около 30 МПа и температуре 450-500°С в присутствии катализатора - Fe, активированного оксидами К₂О, Al₂О₃, СаО и др. При однократном прохождении через массу катализатора возможно превращение в аммиак лишь 20-25% исходной газовой смеси; для полного превращения необходима многократная циркуляция. Основное сырьё для получения Н₂ в производстве аммиака - природный горючий газ, перерабатываемый методом двухступенчатой парогазовой конверсии метана.

Производство аммиака включает следующие стадии: очистку природного газа от сернистых соединений каталитическим гидрированием их до Н₂S с последующим поглощением аммиака ZnO; паровую конверсию природного газа под давлением 3.8 МПа при температуре 860°С на катализаторе Ni-Al в трубчатой печи (первичный риформинг); паровоздушную конверсию остаточного метана в шахтном конвертере (вторичный риформинг) при 990-1000°С и 3,3 МПа на катализаторе Ni-Al; на этом этапе водород обогащается азотом из атмосферного воздуха для получения смеси азота с водородом (соотношение по объёму 1:3), поступающей на синтез NH₃; конверсию СО до СО₂ и Н₂ сначала при 450°С и 3,1 МПа на катализаторе Fe-Cr, затем при 200-260°С и 3,0 МПа на катализаторе Zn-Cr-Сu; очистку Н₂ от СО₂ абсорбцией раствором моноэтаноламина или горячим раствором К₂СО₃ при 2,8 МПа; очистку смеси Н₂ и N₂ путём гидрирования от остаточных СО и СО₂ в присутствии катализатора Ni-Al при 280°С и 2,6 МПа; компримирование (сжатие) очищенного газа до 15-30 МПа и синтез аммиака на железном промотированном катализаторе при 400-500°С в реакторе синтеза с насадкой с радиальным или аксиальным ходом газа. Поставляемый в промышленность жидкий аммиак содержит не менее 99,96% по массе NH₃. В аммиак, транспортируемый по трубопроводу, добавляется до 0,2-0,4% Н₂О для ингибирования коррозии стали.

Аммиак применяют в производстве азотной кислоты, мочевины, солей аммония, аммофоса, уротропина, соды (по аммиачному методу), как жидкое удобрение, в качестве хладагента и пр. Пучок молекул NH₃ был использован в качестве рабочего вещества в первом квантовом генераторе - мазере (1954).

Аммиак токсичен. При содержании в воздухе 0,02% аммиака по объёму раздражает слизистые оболочки. Жидкий аммиак вызывает сильные ожоги кожи.

Мировое производство аммиака (в пересчёте на N) около 125,7 миллион тонн/год (2001), в том числе в Российской Федерации - 11 миллион т/год.

Лит.: Теплофизические свойства аммиака. М., 1978; Синтез аммиака. М., 1982.