Получение аммиака: важнейший процесс в химической промышленности

Аммиак является одним из важнейших продуктов химической промышленности, который широко используется для производства удобрений, пластмасс, взрывчатых веществ и многих других соединений. Умение эффективно получать аммиак в промышленных масштабах позволило резко увеличить производство продуктов азотной химии и сыграло огромную роль в развитии сельского хозяйства. Давайте разберемся с историей открытия аммиака, способами его получения в лабораториях и на производстве.

История открытия и изучения аммиака

Аммиак был впервые получен и описан в 1774 году британским химиком Джозефом Пристли. Название "аммиак" произошло от латинского "sal ammoniacus" - нашатырь, минерал, добываемый в оазисе Сива в Египте. В древности нашатырь использовали в медицине, а позднее обнаружили, что при нагревании он выделяет газообразный аммиак.

В 1805 году французский химик Клод Луи Бертолле получил аммиак, пропуская электрические разряды через смесь азота и водорода. Это открытие показало, что аммиак состоит из атомов азота и водорода.

Важнейшие физико-химические свойства аммиака были исследованы в XIX веке. Ученые изучили температуры кипения и плавления, растворимость в воде, основные химические реакции. Было показано, что аммиак можно легко сжижать под давлением для удобства транспортировки и хранения.

К началу XX века аммиак использовался главным образом для получения удобрений. Однако его производство оставалось дорогостоящим и не покрывало растущие потребности сельского хозяйства. Необходим был промышленный способ синтеза аммиака непосредственно из азота и водорода, не прибегая к дорогому природному сырью.

Физико-химические свойства аммиака

Аммиак - бесцветный газ с резким характерным запахом, химическая формула NH3. Он состоит из 1 атома азота и 3 атомов водорода. Атомы соединены ковалентными полярными связями, при этом азот проявляет отрицательную степень окисления -3, а каждый атом водорода - положительную степень +1.

При нормальном давлении аммиак конденсируется в бесцветную жидкость при температуре -33,4°С. Температура кипения жидкого аммиака составляет -33,3°С. Твердый аммиак представляет собой белые кристаллы с температурой плавления -77,7°С.

Аммиак обладает высокой растворимостью в воде - при 0°С в 1 л воды может раствориться до 1150 л газообразного аммиака. Растворы аммиака в воде называются аммиачной водой или нашатырным спиртом.

Химические свойства аммиака обусловлены наличием неподеленной электронной пары азота, благодаря чему он проявляет основные свойства. Аммиак вступает в реакции с кислотами, образуя соли аммония, а также комплексные соединения с ионами металлов.

Применение аммиака в промышленности и сельском хозяйстве

Благодаря своим уникальным свойствам, аммиак нашел широкое применение:

Для производства азотных удобрений - аммиачной селитры, сульфата аммония, мочевины.
В химической промышленности - для синтеза азотной кислоты, нитратов, нитрилов, взрывчатых веществ.
В холодильных установках в качестве хладагента.
Для получения водорода, катализаторов, полимеров.
В медицине и фармацевтике - как лекарственное и дезинфицирующее средство.

Потребность в аммиаке непрерывно растет в связи с увеличением производства удобрений для продовольственных нужд растущего населения планеты. Поэтому создание эффективных способов получения аммиака в промышленных масштабах имеет колоссальное значение.

Способы промышленного получения аммиака

Основной промышленный способ производства аммиака - прямой синтез из азота и водорода при высоком давлении и температуре в присутствии катализатора:

N2 + 3H2 → 2NH3

Для эффективного протекания этой эндотермической реакции необходимы следующие условия:

Высокое давление (150-250 атм) - сдвигает равновесие в сторону продуктов согласно принципу Ле-Шателье.
Высокая температура (400-500°C) - ускоряет химическую реакцию.
Применение железного катализатора с примесями оксидов - ускоряет достижение равновесия.

При оптимальных условиях выход аммиака может достигать 15-20% за один проход через реактор. Для повышения эффективности процесса используется рецикл - непрореагировавшие газы возвращаются в реактор.

Оборудование для производства аммиака

Основным оборудованием в технологической схеме производства аммиака являются:

Компрессоры для сжатия азота и водорода.
Печи для нагрева газовой смеси.
Реакторы со слоем катализатора.
Холодильники для конденсации аммиака.
Сепараторы для разделения газов.

Весь процесс протекает в замкнутом контуре и полностью автоматизирован. Современные установки производят до 3000 тонн аммиака в сутки.

Энергозатраты на получение аммиака

Производство аммиака является энергоемким процессом. Основная доля энергии расходуется на сжатие газов и нагрев реакционной смеси. На тонну аммиака требуется:

30-40 ГДж тепловой энергии.
500-600 кВт*ч электроэнергии.

В качестве топлива обычно используется природный газ, расход которого составляет около 1000 м3 на тонну аммиака. Снижение энергозатрат - важная задача для повышения рентабельности производства.

Экологические аспекты

Процесс производства аммиака связан с выбросами загрязняющих веществ:

Оксиды азота NOx.
Оксид углерода CO.
Непрореагировавшие газы.

Для снижения вредных выбросов применяются газоочистные установки и каталитические нейтрализаторы. Важно также экономно расходовать сырье и энергоресурсы. Переход на "зеленые" источники энергии позволит сделать производство аммиака экологичным.

Лабораторные способы получения аммиака

В лабораторных условиях небольшие количества аммиака можно получить следующими способами:

Взаимодействие солей аммония с щелочами. Например:
NH4Cl + NaOH → NH3↑ + NaCl + H2O
Сухая перегонка угля или продуктов его коксования. Аммиак образуется как побочный продукт.
Прямой синтез из азота и водорода с использованием катализатора при нагревании (аналогично промышленному способу).

Для получения аммиака применяется лабораторная установка, состоящая из колбы с реакционной смесью, обогревателя, холодильника и приемника. В качестве реакционного сосуда часто используют пробирку.

Для достижения максимального выхода продукта необходимо использовать химически чистые реактивы и точно соблюдать температурный режим реакции.

Требования техники безопасности

При работе с аммиаком в лаборатории следует соблюдать ряд мер предосторожности:

Проводить синтез под тягой для удаления газов.
Использовать перчатки, защитные очки, лабораторный халат.
Избегать вдыхания газа, контакта с кожей и глазами.
При разливе аммиака - немедленно neutralize соляной кислотой.

При несоблюдении правил техники безопасности возможно отравление или ожог слизистых оболочек.

Токсичность и опасность аммиака

Аммиак - токсичное вещество, постоянное воздействие которого опасно для здоровья. Предельно допустимые концентрации:

В воздухе рабочей зоны - 20 мг/м3.
В атмосферном воздухе - 0,2 мг/м3.

При высоких концентрациях аммиак вызывает раздражение слизистых, кашель, слезотечение, отек легких. Хроническое отравление может привести к бронхитам, конъюнктивиту, дерматиту.