Аммиак, N H 3, простейшее химическое соединение азота с водородом. Один из важнейших продуктов химической промышленности; синтез Аммиак из азота воздуха и водорода — основной метод получения т. н. связанного азота . В природе Аммиак образуется при разложении азотсодержащих органических веществ. Название «Аммиак» — сокращенное от греч. hals ammoniakos или лат. sal ammoniacus; так назывался нашатырь (аммония хлорид ), который получали в оазисе Аммониум (ныне Сива) в Ливийской пустыне.
Физические и химические свойства. Аммиак — бесцветный газ с резким удушливым запахом и едким вкусом. Плотность газообразного Аммиак при 0°С и 101,3 кн/м2 (760 мм рт. ст.) 0,7714 кг/м3, tкип —33,35°С, tпл —77,70°С, tкpит 132,4°С, давление критическое 11,28 Мн/м2 (115,0 кгс/см2), плотность критическая 235 кг/м3, теплота испарения 23,37 кдж/моль (5,581 ккал/моль). Сухая смесь Аммиак с воздухом способна взрываться; границы взрывчатости при комнатной температуре лежат в пределах 15,5—28% Аммиак, с повышением температуры границы расширяются. Аммиак хорошо растворим в воде (при 0°С объём воды поглощает около 1200 объёмов Аммиак, при 20 °С — около 700 объёмов Аммиак). При 20°С и 0,87 Мн/м2 (8,9 кгс/см2) Аммиак легко переходит в бесцветную жидкость с плотностью 681,4 кг/м3, сильно преломляющую свет. Подобно воде, жидкий Аммиак сильно ассоциирован, главным образом за счёт образования водородных связей . Жидкий Аммиак практически не проводит электрический ток. Жидкий Аммиак — хороший растворитель для очень большого числа органических, а также для многих неорганических соединений. Твёрдый Аммиак — бесцветные кубические кристаллы.
Молекула Аммиак имеет форму правильной тригонометрической пирамиды с атомом N в вершине; углы между связями H—N—H 108°, межатомные расстояния H—N—H 1,015, H—H 1,64.
Интересным свойством молекул Аммиак является их способность к структурной инверсии, т. е. к «выворачиванию наизнанку» путём прохождения атома азота сквозь образованную атомами водорода плоскость основания пирамиды. Инверсия связана с излучением строго определённой частоты, на основе чего была создана аппаратура для очень точного определения времени (молекулярные генераторы). Такие «молекулярные часы» позволили, в частности, установить, что продолжительность земных суток ежегодно возрастает на 0,43 мсек. Дипольный момент молекулы Аммиак равен 1,43D. Благодаря отсутствию неспаренных электронов Аммиак диамагнитен.
Аммиак — весьма реакционноспособное соединение. За счёт наличия неподелённой электронной пары у атома N особенно характерны и легко осуществимы для Аммиак реакции присоединения. Наиболее важна реакция присоединения протона к молекуле Аммиак, ведущая к образованию иона аммония N H +4, который в соединениях с анионами кислот ведёт себя подобно ионам щелочных металлов. Такие реакции происходят при растворении Аммиак в воде с образованием слабого основания — аммония гидроокиси N H 4O H, а также при непосредственном взаимодействии Аммиак с кислотами. Распространённый тип реакций присоединения — образование аммиакатов при действии газообразного или жидкого Аммиак на соли. Для Аммиак характерны также реакции замещения. Щелочные и щёлочноземельные металлы реагируют с жидким и газообразным Аммиак, образуя в зависимости от условий нитриды (Na 3N) или амиды (Na N H 2). Аммиак реагирует также с серой, галогенами, углем, C O 2 и др. К окислителям в обычных условиях Аммиак довольно устойчив, однако, будучи подожжён, он горит в атмосфере кислорода, образуя воду и свободный азот. Каталитическим окислением Аммиак получают окись азота, превращаемую затем в азотную кислоту .
Получение и применение. В лабораторных условиях Аммиак может быть получен вытеснением его сильными щелочами из аммониевых солей по схеме: 2N H 4C I + Ca(O H)2 = 2N H 3 + Ca Cl 2 + 2H 2O. Старейший промышленный способ получения Аммиак — выделение его из отходящих газов при коксовании угля. Основной современный способ промышленного получения Аммиак — синтез из элементов — азота и водорода, предложенный в 1908 немецким химиком Ф. Габером.
Наиболее распространённым и экономичным методом получения технологического газа для синтеза Аммиак является конверсия углеводородных газов. Исходным сырьём в этом процессе служит природный газ, а также попутные нефтяные газы, газы нефтепереработки, остаточные газы производства ацетилена. Сущность конверсионного метода получения азото- href="http://H-Hydrogen.info/">водородной смеси состоит в разложении при высокой температуре метана и его гомологов на водород и окись углерода с помощью окислителей — водяного пара и кислорода. К конвертированному газу при этом добавляют атмосферный воздух или воздух, обогащенный кислородом. Синтез Аммиак из простых веществ
протекает с выделением тепла и уменьшением объёма. Наиболее благоприятными, с точки зрения равновесия, условиями образования Аммиак являются возможно более низкая температура и возможно более высокое давление. Без катализаторов реакция синтеза Аммиак вообще не происходит. В промышленности для синтеза Аммиак используют исключительно железные катализаторы, получаемые восстановлением сплавленных окислов железа Fe 3O 4 с активаторами (Al 2O 3, K 2O, Ca O, Si O 2, а иногда и Mg O). Важный этап процесса синтеза — очистка газовой смеси от каталитических ядов (к ним относятся вещества, содержащие S, O 2, Se, P, As, пары воды, C O и др.).
Способы производства синтетического Аммиак различаются по применяемому давлению: системы низкого (10—15 Мн/м2), среднего (25—30 Мн/м2) и высокого (50—100 Мк/л2) давления. Наиболее распространены системы среднего давления (30 Мн/м2 и 500°С) (1 Мн/м2(10 кгс/см2). Для увеличения степени использования газа в современных системах синтеза Аммиак применяют многократную циркуляцию азото- href="http://H-Hydrogen.info/">водородной смеси — круговой аммиачный цикл (см. рис.).
Свежий газ (азото- href="http://H-Hydrogen.info/">водородная смесь) и непрореагировавшие, т. н. циркуляционные газы поступают сначала в фильтр 1, где они очищаются от посторонних примесей, затем в межтрубное пространство конденсационной колонны 2, отдавая своё тепло газу, движущемуся по трубкам колонны. Далее газы проходят через испаритель 3, в котором происходят их дальнейшее охлаждение и конденсация Аммиак, увлечённого циркуляционными газами. Охлажденная смесь газов и сконденсировавшийся Аммиак из испарителя направляются в разделительную часть (сепаратор) конденсационной колонны, где жидкий Аммиак отделяется и как готовый продукт выводится по трубе в резервуар 9. Газообразный Аммиак, выходящий из испарителя, проходя брызгоуловитель 4, освобождается от капель жидкого Аммиак и направляется в цех переработки или в холодильную установку на сжижение. Газы, освобожденные от Аммиак, из сепаратора поступают в колонну синтеза 5. Колонна синтеза внутри имеет катализаторную коробку с трубчатой или полочной насадкой и теплообменник. Газы, проходя через колонну синтеза, реагируют между собой; выходящая из колонны газовая смесь содержит 15 — 20% Аммиак Далее эти газы поступают в конденсатор 6, где и происходит сжижение Аммиак Жидкий Аммиак отделяется в сепараторе 7 и поступает в резервуар 9, а непрореагировавшие газы подаются циркуляционным насосом 8 в фильтр 1 для смешения со свежей азото- href="http://H-Hydrogen.info/">водородной смесью.
Аммиак используется для получения азотной кислоты, азотсодержащих солей, мочевины , синильной кислоты , соды по аммиачному методу. Так как жидкий Аммиак имеет большую теплоту испарения, то. он служит рабочим веществом холодильных машин. Жидкий Аммиак и его водные растворы применяют как жидкие удобрения . Большие количества Аммиак идут на аммонизацию суперфосфата и туковых смесей.
Аммиак ядовит. Он сильно раздражает слизистые оболочки. Острое отравление Аммиак вызывает поражения глаз и дыхательных путей, одышку, воспаление лёгких. Предельно допустимой концентрацией Аммиак в воздухе производственных помещений считается 0,02 г/м3. Аммиак хранят в стальных баллонах, окрашенных в жёлтый цвет, с чёрной надписью — Аммиак
Лит.: Технология связанного азота, М., 1966.
В. К. Бельский.