Аммиак, что это такое? Свойства, получение, применение

Аммиак - это бесцветный газ с резким запахом и химической формулой NH3. Он представляет собой бинарное неорганическое химическое соединение азота и водорода. Аммиак хорошо растворим в воде, образуя водный раствор аммиака.

Это очень важное промышленное химическое вещество, которое используется для производства азотных удобрений, взрывчатых веществ, полимеров, а также в холодильной технике в качестве хладагента. Обладает токсичностью и едкими свойствами.

В статье подробно рассмотрены физические и химические свойства аммиака, способы его получения в промышленности и лаборатории, сферы применения, а также токсичность и нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) для человека.

Физико-химические свойства аммиака

Аммиак относится к важным промышленным химическим веществам. Аммиак легко сжижается при комнатной температуре и давлении около 8,5 атмосфер. Это делает удобным его хранение и транспортировку в жидком виде. Жидкий аммиак обладает меньшей плотностью, вязкостью, электропроводностью и диэлектрической проницаемостью по сравнению с водой.

Аммиак хорошо растворяется в воде, при 0°C растворимость составляет около 1200 объемов газа в 1 объеме воды. Также жидкий аммиак - хороший растворитель для многих органических и неорганических веществ. Некоторые соли имеют разную растворимость в воде и жидком аммиаке. Например, хлорид натрия практически нерастворим в аммиаке, а нитрат серебра, наоборот, гораздо лучше растворяется в аммиаке.

В жидком аммиаке происходит автопротолиз - слабая диссоциация на ионы NH4+ и NH2-. Это сближает его по свойствам с водой. Но константа самоионизации аммиака гораздо меньше, чем у воды. При -50°C она составляет около 10-33 моль/л2.

Молекулы аммиака обладают основными свойствами, они могут присоединять протоны водорода, образуя катион аммония NH4+. При взаимодействии с кислотами аммиак нейтрализует их. Это используется в медицине, когда раствор аммиака применяют для нейтрализации содержимого желудка при отравлениях.

Твердый аммиак представляет собой кубические кристаллы. Температура плавления составляет -77,7°C. При нагревании аммиака выше температуры плавления образуется жидкость, которая сильно преломляет свет. Температура кипения аммиака -33,35°C, что значительно ниже, чем у воды.

Аммиак - электронодонор, его молекулы могут входить в состав комплексных соединений и выступать в роли лиганда. К примеру, при взаимодействии с солями металлов образуются аминокомплексы этих металлов. Такие особенности аммиака широко используются в неорганической химии.

Подводя итог, можно сказать, что аммиак обладает уникальным комплексом физико-химических свойств, которые определяют его важную роль как одного из основных промышленных химических продуктов, применяемого во многих областях человеческой деятельности.

Получение аммиака в промышленности

В промышленности аммиак получают путем прямого синтеза из азота и водорода. Этот процесс был предложен немецким химиком Фрицем Габером и называется процессом Габера. Реакция синтеза аммиака протекает следующим образом:

N2 + 3H2 → 2NH3

При нормальных условиях равновесие этой реакции сильно смещено влево, выход продукта очень мал. Чтобы увеличить выход аммиака, необходимо проводить процесс при высоком давлении и с использованием катализаторов. Наиболее подходящим оказался катализатор на основе пористого железа с добавками оксида алюминия и оксида калия.

Ключевыми параметрами синтеза являются температура, давление и наличие катализатора. При повышении температуры скорость реакции увеличивается, но растет и скорость обратной реакции. Высокое давление способствует смещению равновесия в сторону прямой реакции, но требует дорогостоящего оборудования. Оптимальные условия - это температура около 500°C, давление порядка 150-300 атмосфер и использование железного катализатора.

Процесс Габера проводят в специальных реакторах непрерывного действия, куда подают азот, водород и циркулирующий газ. Продукт реакции - смесь аммиака, непрореагировавших газов и инертных примесей - охлаждается и направляется на разделение. Выделяют жидкий аммиак, остальные газы возвращаются в реактор.

Для увеличения производительности устанавливают несколько реакторов последовательно или параллельно. Современные агрегаты по производству аммиака имеют производительность от 1000 до 3500 тонн в сутки. Такие крупнотоннажные производства позволяют получать аммиак высокого качества с минимальными затратами.

Основное сырье для синтеза аммиака - природный газ, из которого получают водород, и атмосферный азот. На производство 1 тонны аммиака требуется примерно от 700 до 1200 кубических метров природного газа. Также используется большое количество электроэнергии.

Таким образом, современное промышленное производство аммиака основано на непрерывном синтезе из азота и водорода при высоких температуре и давлении в присутствии железных катализаторов. Это позволяет получать тысячи тонн высококачественного аммиака ежедневно и обеспечивать им различные отрасли промышленности.

Лабораторные способы получения аммиака

В лабораторных условиях аммиак можно получить несколькими способами. Эти методы основаны на разложении солей аммония щелочами, взаимодействии аммиачных солей с щелочными и щелочноземельными металлами, а также на реакции между азотной кислотой и металлическим алюминием.

Один из наиболее распространенных способов - это разложение хлорида аммония гидроксидом кальция. Реакция протекает с выделением аммиака: NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2NH3 + 2H2O

Для этого смесь порошков хлорида аммония и гашеной извести помещают в колбу с газоотводной трубкой и осторожно нагревают. Выделяющийся аммиак улавливают, пропуская через раствор кислоты, например, серной кислоты. При этом образуется сульфат аммония:

2NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4

Этот способ пригоден для получения небольшого количества газа в лаборатории. Он прост в осуществлении, для реакции требуются недорогие и доступные реагенты.

Еще один распространенный метод основан на взаимодействии аммиачных солей с щелочными или щелочноземельными металлами. Например, при нагревании хлорида аммония с металлическим натрием происходит следующая реакция:

2NH4Cl + 2Na → 2NH3↑ + 2NaCl + H2↑

Полученный газ собирают методом вытеснения воздуха. Этот способ позволяет получить аммиак высокой чистоты, так как водород и другие примеси удаляются из реакционной смеси.

Еще один вариант - разложение нитрида алюминия водой: AlN + 3H2O → NH3↑ + Al(OH)3

Нитрид алюминия для этого синтеза можно приготовить, пропуская аммиак над разогретой до красного каления окисью алюминия. Полученный аммиак собирают вытеснением воздуха или растворением в воде.

Наконец, аммиак можно синтезировать непосредственно из азота и водорода. Для этого алюминиевую стружку или порошок заливают разбавленной азотной кислотой, нагревают, и выделяющийся водород пропускают через трубку, заполненную азотом, при нагревании до 400-500°С:

2Al + 6HNO3 → 3H2↑ + 2Al(NO3)3 3H2 + N2 → 2NH3

Этот способ демонстрирует принципы промышленного синтеза аммиака, но требует более сложного лабораторного оборудования и приборов контроля температуры и давления.

Применение аммиака

Аммиак находит широкое применение в различных областях промышленности и сельского хозяйства. Основные направления использования аммиака: производство удобрений, получение азотной кислоты, синтез пластмасс и волокон, охлаждение и кондиционирование воздуха, а также применение в медицине.

Наиболее масштабное применение аммиак находит в производстве азотных удобрений. Из аммиака получают такие важные удобрения, как аммиачная селитра, сульфат аммония, аммофос. Эти удобрения содержат азот в легкоусвояемой для растений форме аммонийных солей. Азот необходим для роста и развития сельскохозяйственных культур, поэтому азотные удобрения имеют огромное значение для обеспечения высоких урожаев.

Еще одно важнейшее применение аммиака - производство азотной кислоты. Путем каталитического окисления аммиака кислородом воздуха получают азотную кислоту:

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O 2NO + O2 → 2NO2 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

Азотная кислота используется для синтеза удобрений, взрывчатых веществ, красителей. Также она применяется при обработке металлов.

Важную роль аммиак играет при производстве полимерных материалов и синтетических волокон. Так, капрон получают путем поликонденсации адипиновой кислоты и гексаметилендиамина. А гексаметилендиамин, в свою очередь, синтезируют из аммиака. Аммиак также используют для производства акрилонитрила - мономера для получения полиакрилонитрильного волокна.

Благодаря высокой теплоте испарения, аммиак применяют в холодильных установках и для кондиционирования воздуха. Жидкий аммиак испаряется в испарителе, поглощая теплоту и охлаждая окружающую среду. Затем пары аммиака сжимают и конденсируют, выделяя тепло. Такие холодильные машины компактны и эффективны.

В медицине водные растворы аммиака (нашатырный спирт) используют как возбуждающее и противообморочное средство. Аммиак оказывает раздражающее действие на слизистые оболочки, вызывает усиление дыхания и подъем артериального давления. Также его применяют наружно как раздражающее и обезболивающее средство.

Кроме того, аммиак и аммиачная вода широко используются в текстильной промышленности при крашении тканей, в производстве целлюлозы и бумаги, дублении кож, получении взрывчатых веществ, для нейтрализации кислых газов и стоков, в лабораториях в качестве реактива.

Таким образом, применение аммиака исключительно разнообразно. Это объясняется наличием у аммиака целого комплекса уникальных физико-химических свойств. Высокая реакционная способность аммиака позволяет использовать его для синтеза соединений азота, которые находят широчайшее применение в промышленности и сельском хозяйстве. Поэтому аммиак по праву считается одним из важнейших промышленных химических продуктов.

Использование аммиака в медицине

Аммиак находит применение в медицинской практике в качестве лекарственного средства при отравлениях, обмороках, укусах насекомых и заболеваниях кожи. Он оказывает раздражающее действие на рецепторы слизистых оболочек, усиливает дыхание и кровообращение. Главной лекарственной формой аммиака является водный раствор - нашатырный спирт.

Нашатырный спирт представляет собой 5-10% раствор аммиака в воде. Он имеет характерный резкий запах и щелочную реакцию. Благодаря способности аммиака нейтрализовывать кислоты, нашатырный спирт используется как антидот при отравлениях кислотами, например уксусной эссенцией. Он нейтрализует кислоту в желудке и предотвращает повреждение слизистой оболочки.

Еще одно важное применение нашатырного спирта - для предотвращения и купирования обморочных состояний. При обмороке на ватный тампон или салфетку наносят несколько капель спирта и подносят к носу пациента. Резкий запах аммиака вызывает раздражение рецепторов слизистой оболочки носа, что приводит к рефлекторному усилению дыхания и подъему артериального давления.

Водные растворы аммиака также находят применение как наружное средство при укусах насекомых и змей. Аммиак оказывает обезболивающее и противовоспалительное действие, уменьшает зуд и жжение в месте укуса. Для этих целей используются примочки и компрессы с 5-10% раствором нашатырного спирта.

При некоторых кожных заболеваниях, таких как нейродермит и экзема, назначают аппликации и ванночки с добавлением аммиака или нашатырного спирта. Аммиак оказывает сушащее, подсушивающее и отшелушивающее действие, уменьшает шелушение и зуд кожи.

Также водные растворы аммиака в концентрации 2-3% применяют для лечения грибковых заболеваний кожи - микозов стоп и паховой области. Аммиак подавляет рост и размножение грибков.

В физиотерапии используют ингаляции паров нашатырного спирта при заболеваниях верхних дыхательных путей. Такие ингаляции разжижают мокроту, облегчают отхождение при кашле. Курс лечения составляет 8-10 процедур.

Внутрь растворы аммиака назначают крайне редко из-за высокой токсичности. Их используют только в случае экстренной необходимости - для экстренной детоксикации при отравлениях. Дозы при этом минимальные - по 10-15 капель нашатырного спирта, разведенного в воде или молоке.

Таким образом, несмотря на высокую токсичность, аммиак в виде растворов нашел применение в медицинской практике благодаря своим уникальным свойствам. Он является эффективным антидотом и стимулятором дыхания и кровообращения при правильном дозировании. Аммиак также обладает обезболивающим, противовоспалительным и антимикробным действием при местном применении.

Токсичность аммиака и нормы ПДК

Аммиак относится к высокотоксичным веществам, оказывающим вредное воздействие на организм человека. Основными путями поступления аммиака в организм являются ингаляционный и пероральный. Для предотвращения отравлений установлены гигиенические нормативы содержания аммиака в воздухе рабочей зоны и атмосферном воздухе - предельно допустимые концентрации (ПДК).

При вдыхании аммиачных паров и аэрозолей происходит токсическое поражение органов дыхания и центральной нервной системы. Аммиак оказывает местное раздражающее действие, вызывает отек и воспаление слизистых оболочек дыхательных путей. В высоких концентрациях возможно развитие отека легких. Признаками острого отравления являются кашель, затрудненное дыхание, боль за грудиной, судороги, потеря сознания.

При попадании внутрь аммиак вызывает раздражение и ожог слизистых рта, глотки и пищевода, может приводить к язвенному поражению желудочно-кишечного тракта. Отмечаются резкая боль, рвота, диарея, потеря сознания.

Хроническое воздействие аммиака в малых концентрациях приводит к развитию хронических бронхитов, эрозий и язв слизистых оболочек. Возможно раздражение кожи и слизистых глаз.

Для предотвращения острых и хронических отравлений аммиаком установлены предельно допустимые концентрации его в воздухе рабочей зоны и атмосферном воздухе.

ПДК аммиака в воздухе рабочей зоны составляет 20 мг/м3. Это максимально допустимая концентрация, которая при ежедневной работе в течение 8 часов не должна вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья.

Для атмосферного воздуха установлены два норматива ПДК:

• среднесуточная ПДК - 0,04 мг/м3,
• максимально разовая ПДК - 0,2 мг/м3.

Среднесуточная ПДК - это предельно допустимая концентрация при постоянном воздействии в течение длительного времени (месяцы, годы).

Максимально разовая ПДК - концентрация, которая не должна вызывать рефлекторных реакций при кратковременном, разовом воздействии.

Превышение этих нормативов ПДК свидетельствует о высоком загрязнении атмосферного воздуха и требует принятия мер по снижению выбросов аммиака в атмосферу.

Таким образом, аммиак является высокотоксичным веществом и представляет опасность при ингаляционном и пероральном поступлении в организм человека. Для предупреждения острых и хронических отравлений установлены предельно допустимые концентрации аммиака в воздухе рабочей зоны и атмосферном воздухе. Контроль за соблюдением этих норм ПДК имеет важное санитарно-гигиеническое значение.

Ведущими технологиями производства аммиака в промышленности являются процессы химического синтеза из азота и водорода при высоком давлении с использованием железных катализаторов. Эти процессы обеспечивают высокое качество продукции и низкую себестоимость.

Таким образом, несмотря на сложности 2020 года, мировое производство аммиака продолжает уверенный рост, обеспечивая потребности важнейших отраслей мировой экономики в этом стратегическом сырье.