آمونیاک

آمونیاک (برگرفته از کلمه فرانسوی ammonia /amɔnjak/)، ^[1] نیز نوشته می شود که با نام آمونیاک ، ^[1] است ترکیبی از نیتروژن و هیدروژن با فرمول شیمیایی NH ₃ . آمونیاک به عنوان یک هیدرید دوتایی پایدار و هیدرید پنیکتوژن ساده ترین ، گازی بی رنگ با بوی تند مشخصه (بوی تند) است. این یک ضایعات نیتروژنی رایج به ویژه در بین موجودات آبزی است و به نیازهای غذایی موجودات خشکی با عمل به عنوان پیش ماده غذایی و کود دامی کمک می کند . بار، به طور مستقیم یا غیرمستقیم، همچنین سازنده ای برای سنتز بسیاری از محصولات دارویی است و در بسیاری از محصولات پاک کننده تجاری استفاده می شود. عمدتاً با سنتز سطح پایین هوا و آب جمع آوری می شود.

بسیار رایج است اگرچه در طبیعت – هم در خشکی و هم در سیارات خارج از منظومه شمسی – هم خورنده و هم خطرناک و به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، آمونیاک در شکل غلیظش به عنوان یک ماده بسیار خطرناک است. این ماده در ایالات متحده ^{طبقه بندی می شود و توسط تأسیساتی که آن را در مقادیر قابل توجهی تولید، ذخیره یا استفاده می کنند، مشمول الزامات گزارش دهی دقیق است. [2]}

تولید جهانی آمونیاک صنعتی در سال 2018، 175 میلیون تن بود، ^[3] که نسبت به تولید صنعتی جهانی 175 میلیون تنی سال 2013 تغییر قابل توجهی نداشت. ^[4] فروخته می شود آمونیاک صنعتی به عنوان الکل آمونیاک (معمولاً 28٪ آمونیاک در آب) یا آمونیاک مایع تحت فشار یا یخچال که در کامیون های مخزن یا سیلندر حمل می شود ^{. [5]}

NH ₃ در -33.34 در فشار استاندارد می جوشد ، بنابراین مایع باید تحت فشار یا در دمای پایین ذخیره شود. آمونیاک خانگی یا آمونیوم هیدروکسید محلولی از NH3 _در آب است. غلظت این محلول‌ها در واحدهای مقیاس باومه ( وزن مخصوص )، با 26 درجه باومه (حدود 30 درصد (وزنی) آمونیاک در دمای 15.5 درجه سانتی‌گراد یا 59.9 درجه فارنهایت) به عنوان محصول اندازه‌گیری می‌شود. محصولات تجاری معمولی با غلظت بالا. از این ماده ^[6]

ریشه شناسی

XXXI خود پلینی، در کتاب تاریخ طبیعی ، از نمک تولید شده در استان رومی سیرنایکا به نام hammoniacum نام می برد که به این دلیل نامیده می شود که در نزدیکی معبد مشتری آمون ( یونانی: Ἄμμων Ammon ) واقع شده است. ^[7] با این حال، توصیف پلینی از نمک با خواص کلرید آمونیوم مطابقت ندارد. طبق نظر هربرت هوور در ترجمه انگلیسی De re metallica توسط جورجیوس آگریکولا ، این می تواند نمک دریایی معمولی باشد. ^[8] ترکیبات در هر صورت، آن نمک در نهایت باعث ایجاد نام آمونیوم و آمونیوم شد .

در طبیعت رخ می دهد

آمونیاک یک ماده شیمیایی است که به مقدار کمی در طبیعت یافت می شود و از مواد نیتروژن دار گیاهی و حیوانی تولید می شود. آمونیاک و نمک های آمونیوم نیز به مقدار کم در آب باران یافت می شوند، در حالی که کلرید آمونیوم (سال آمونیوم) و سولفات آمونیوم در مناطق آتشفشانی یافت می شوند. بلورهای بی کربنات آمونیوم یافت شده است در مدفوع پرندگان پاتاگونیا . ^[9] کلیه ها آمونیاک ترشح می کنند تا اسید اضافی را خنثی کنند. ^[10] نمک های آمونیوم در خاک های حاصلخیز و در آب دریا یافت می شوند.

آمونیاک همچنین در سرتاسر سیارات منظومه شمسی در مریخ ، مشتری ، زحل ، اورانوس ، نپتون و پلوتون و جاهای دیگر یافت می شود: در سیارات کوچکتر مانند پلوتون، آمونیاک می تواند به عنوان یک ضد یخ زمین شناسی مهم عمل کند، زیرا مخلوطی از اگر غلظت آمونیاک به اندازه کافی بالا باشد، آب و آمونیاک می توانند دمای ذوب تا 173 کلوین (-100 درجه سانتیگراد؛ -148 درجه فارنهایت) داشته باشند و بنابراین به چنین اجسامی اجازه می دهد تا اقیانوس های فعال زمین شناسی و داخلی را در دماهای بسیار پایین تر از آنچه که در مورد وجود دارد حفظ کنند. با سیارات فقط آب ^{[11] [12]} مواد حاوی آمونیاک، یا آنالوگ های آن، آمونیاک نامیده می شوند .

 

خواص فیزیکی

آمونیاک گازی بی رنگ است با بوی تند مشخص است. از هوا سبک تر و چگالی آن 0.589 برابر هوا است . به راحتی مایع می شود به دلیل پیوندهای قوی هیدروژنی بین مولکول ها . مایع در دمای -33.3 درجه سانتیگراد (27.94- درجه فارنهایت) می جوشد و در دمای 77.7- درجه سانتیگراد (107.86- درجه فارنهایت) به کریستال های سفید ^[9] منجمد می شود .

آمونیاک را می توان با واکنش با بی کربنات سدیم یا اسید استیک به راحتی بو زدایی کرد . هر دوی این واکنش ها نمک های آمونیوم بی بو را تشکیل می دهند.

مواد جامد

تقارن کریستال مکعب است، نماد پیرسون cP16، گروه فضایی P2 ₁ 3 (№. 198)، شبکه ثابت 0.5125 نانومتر است .

مایع

آمونیاک مایع دارای پتانسیل یونیزاسیون قوی به دلیل شاخص ε- بالای 22 است. آمونیاک مایع دارای تغییر آنتالپی تبخیر استاندارد بسیار بالایی است (23.35 کیلوژول / مول، آب 40.65 کیلوژول /). مول، متان 8.19 کیلوژول در مول، فسفر 14.6 kJ/mol) و بنابراین می توان در آزمایشگاه در فلاسک های بدون عایق بدون خنک شدن بیشتر استفاده کرد. آمونیاک مایع را به عنوان یک حلال ببینید.

خواص حلال

آمونیاک به راحتی در آب حل می شود. در محلول آبی، می توان آن را با جوشاندن خارج کرد. محلول های آبی هستند آمونیاک بازی . حداکثر غلظت آمونیاک در آب ( محلول اشباع ) دارای چگالی 0.880 گرم بر سانتی متر مکعب است و معمولاً به آن “880 آمونیاک” می گویند.

در آتش

آمونیاک بلافاصله نمی سوزد یا می تواند احتراق را حفظ کند ، مگر در شرایطی که مخلوط سوخت و هوا باریک حاوی 15-25٪ هوا باشد. هنگامی که با اکسیژن مخلوط می شود ، با شعله زرد مایل به سبز می سوزد. اشتعال زمانی رخ می دهد که کلر با آمونیاک تزریق شود و نیتروژن و کلرید هیدروژن تشکیل شود . اگر کلر اضافی وجود داشته باشد، تری کلرید نیتروژن بسیار انفجاری (NCl ₃ ) نیز تشکیل می شود.

تجزیه

در دمای بالا و در حضور کاتالیزور مناسب، آمونیاک به عناصر تشکیل دهنده خود تجزیه می شود. تجزیه آمونیاک یک فرآیند گرماگیر خفیف است که به 5.5 کیلو کالری در مول آمونیاک نیاز دارد و گاز هیدروژن و نیتروژن تولید می کند. در صورت حذف آمونیاک بدون واکنش، می توان از آمونیاک به عنوان منبع هیدروژن برای سلول های سوختی اسیدی استفاده کرد. مشخص شد که کاتالیزورهای روتنیوم و پلاتین فعال ترین هستند، در حالی که کاتالیزورهای نیکل پشتیبانی شده کمتر فعال بودند.

ساختار

مولکول آمونیاک دارای یک شکل هرمی مثلثی است که توسط نظریه دافعه جفت الکترون لایه ظرفیتی (نظریه VSEPR) با زاویه پیوند تعیین شده تجربی 106.7 درجه پیش‌بینی شده است. ^[13] اتم نیتروژن مرکزی دارای پنج الکترون لایه بیرونی با یک الکترون اضافی از هر اتم هیدروژن است. این در مجموع هشت الکترون یا چهار جفت الکترون که در یک چهار وجهی مرتب شده اند تولید می کند. سه تا از این جفت‌های الکترون به عنوان جفت پیوند استفاده می‌شوند و یک جفت الکترون منفرد باقی می‌مانند . جفت‌های منفرد قوی‌تر از جفت‌های پیوند دفع می‌شوند، بنابراین زاویه پیوند 109.5 درجه نیست، همانطور که برای آرایش چهار وجهی منظم انتظار می‌رود، بلکه 106.7 درجه است. ^[13] این شکل به مولکول یک گشتاور دوقطبی می دهد و آن را قطبی می کند . قطبیت مولکول و به ویژه توانایی آن در تشکیل پیوندهای هیدروژنی ، آمونیاک را با آب بسیار قابل امتزاج می کند. جفت تنها آمونیاک را به یک پایه ، یک گیرنده پروتون تبدیل می کند. آمونیاک نسبتاً پایه است. یک محلول آبی 1.0 مولار دارای pH 11.6 است و اگر اسید قوی به چنین محلولی اضافه شود تا محلول خنثی شود (PH = 7)، 99.4 درصد از مولکول های آمونیاک حذف می شود. پروتوناسیون . دما و شوری NH4 ₊ ^{نیز بر نسبت} تأثیر می گذارد . دومی شکل یک چهار وجهی منظم دارد و ایزوالکترونیک با متان است .

مولکول آمونیاک به راحتی دچار وارونگی نیتروژن در دمای اتاق می شود. یک تشبیه مفید، چتری است که در یک باد شدید ظاهر می شود. سد انرژی برای این وارونگی 24.7 کیلوژول بر مول و فرکانس تشدید 23.79 گیگاهرتز است که مربوط به تشعشعات مایکروویو با طول موج 1260 سانتی متر است. جذب در این فرکانس اولین طیف مایکروویو مشاهده شده بود.

دوجنس گرایی

یکی از بارزترین خواص آمونیاک، بازی بودن آن است . آمونیاک یک پایه ضعیف در نظر گرفته می شود. با اسیدها تشکیل می دهد ترکیب می شود و نمک . بنابراین با اسید کلریدریک را تشکیل می دهد کلرید آمونیوم (سال آمونیوم) . با اسید نیتریک برای تشکیل نیترات آمونیوم ترکیب نمی شود و غیره. آمونیاک کاملاً خشک با کلرید هیدروژن کاملاً خشک . برای انجام واکنش به رطوبت نیاز است. ^{[14] [15]} به عنوان یک آزمایش توصیفی، بطری‌های باز شده از آمونیاک غلیظ و اسید کلریدریک، «ابر» کلرید آمونیوم تولید می‌کنند که به نظر می‌رسد زمانی که نمک در جایی که دو ابر مولکولی منتشر به هم می‌رسند، در جایی بین دو بطری، از «هیچ» ظاهر می‌شوند.

نمک های تشکیل شده از اثر آمونیاک با اسیدها نمک های آمونیوم نامیده می شوند و همگی حاوی یون آمونیوم (NH ₄ ⁺ ) هستند. اگرچه آمونیاک به عنوان یک باز ضعیف شناخته شده است، اما می تواند به عنوان یک اسید بسیار ضعیف نیز عمل کند. ماده پروتونه است و قادر به تشکیل آمیدها (حاوی یون های NH _2- ^{این یک} ) است. به عنوان مثال، لیتیوم در آمونیاک مایع حل می شود و محلولی از لیتیوم آمید به دست می دهد :

خواص شیمیایی

در آمونیاک، نیتروژن کمترین عدد اکسیداسیون را دارد ، بنابراین آمونیاک در حال کاهش است. به عنوان مثال در یک واکنش شیمیایی:

2 NH 3 + 3 Cl 2 ⟶ ن 2 + 6 HCl

4 NH 3 + 3 O 2 → 500 o سی 2 ن 2 + 6 اچ 2 O

اتم فلز قلیایی یا آلومینیوم:

2 NH 3 + 2 قبلا، پیش از این → 350 o سی 2 NANH 2 + اچ 2

2 NH 3 + 2 ال → 800 – 900 o سی 2 AlN + 3 اچ 2

اثر محلول نمک:

3 NH 3 + AlCl 3 + 3 اچ 2 O ⟶ ال ( اوه ) 3 + 3 NH 4 Cl

محاسبه پایه ضعیف

محلول در آب

بر اساس تئوری برونستد-لوری ، NH ₃ هنگامی که در آب حل می شود، بخش کوچکی از مولکول های آمونیوم با یون های H ⁺ آب ترکیب می شوند و کاتیون آمونیوم NH ₄ ⁺ را تشکیل می دهند و OH ^– عمل می کند آنیون آزاد می کنند، این بار آب به عنوان اسید .

NH 3 + اچ 2 O ↽ – – ⇀ NH 4 + + اوه – \]

یون OH ^– محلول را بازی می کند ، اما در مقایسه با محلول های قلیایی قوی (مانند سود سوزآور ، سیب زمینی ، آب آهک در …) با همان غلظت، غلظت OH ^– تشکیل شده توسط آمونیاک بسیار کمتر است. محلول آمونیاک به دلیل بازی بودنش به رنگ آبی تورنسل قرمز و محلول فنل فتالئین از بی رنگ به صورتی تبدیل می شود. بنابراین برای تشخیص آمونیاک از تورنسل ارغوانی مرطوب برای تشخیص این گاز استفاده می شود.

واکنش با اسیدها

آمونیاک (در گاز و همچنین محلول) به راحتی اسیدها را خنثی می کند و نمک های آمونیوم را تشکیل می دهد. مثال:

2 NH 3 + اچ 2 بنابراین 4 ⟶ ( NH 4 ) 2 بنابراین 4

یونجه

NH 3 + اچ + ⟶ NH 4 +

به هم قرار گرفتند _{هنگامی که دو فلاسک باز حاوی محلول HCl غلیظ و محلول NH3 نزدیک} ، یک “دود” سفید تشکیل شد (شکل 1). از آنجایی که HCl و NH3 _هستند ترکیبات فراری ، ترکیب می شوند و بلورهای نمک کلرید آمونیوم را تشکیل می دهند که منجر به پدیده “دود” می شود.

NH 3 ( ک ) + HCl ( ک ) ⟶ NH 4 Cl ( r )

این واکنش برای تشخیص گاز آمونیاک استفاده می شود.

اثرات با محلول های نمکی

محلول آمونیاک این توانایی را دارد که در هنگام واکنش، بسیاری از هیدروکسیدهای فلزی را رسوب دهد

به عنوان مثال در شکل 2، محلول آمونیاک با محلول سولفات مس (II) واکنش داده و یک رسوب آبی ایجاد می کند:

NH 3 + اچ 2 O + CuSO 4 ⟶ ( NH 4 ) 2 بنابراین 4 + مس ( اوه ) 2 ↓

امکان ایجاد مجتمع

محلول آمونیاک توانایی تشکیل کمپلکس با بسیاری از ترکیبات نامحلول فلزات مانند مس ، نقره ، نیکل ، سرب ، روی و غیره را دارد.

از آنجایی که این کاتیون ها دارای اوربیتال خالی هستند، می توانند یک جفت الکترون غیرپیوندی را در اتم N NH ₃ بپذیرند .

م ( اوه ) 2 + 4 NH 3 ⟶ [ م ( NH 3 ) 4 ] ( اوه ) 2 (با M = مس، روی، سرب،…)

که در ( اوه ) 2 + 6 NH 3 ⟶ [ که در ( NH 3 ) 6 ] ( اوه ) 2

Ag + + 2 NH 3 ⟶ [ Ag ( NH 3 ) 2 ] +

مدولاسیون

در آزمایشگاه: 2 NH 4 Cl + حدود ( اوه ) 2 ⟶ NH 3 + CaCl 2 + اچ 2 O

در صنعت:

بیشتر NH3 ₍ 90%) به روش Haber-Bosch با ن 2 از هوا ، اچ 2 از متان ( سی اچ 4 ) و آب .

CH 4 + اچ 2 O ↽ – – ⇀ CO + 3 اچ 2 (کاتالیزور نیکل، دمای بالا) ن 2 + 3 اچ 2 ↽ – – ⇀ 2 NH 3 (ΔH = -92 کیلوژول بر مول)

واکنش فوق برگشت پذیر و گرمازا تعادل به سمت راست تغییر کند است، بنابراین باید شرایط مناسبی وجود داشته باشد تا بر اساس اصل لو شاتلیه، . انجام می شود اتمسفر توسط مخلوطی از Fe ، Al2O3 _{، 200-300} و غیره کاتالیز _که ، K2O _{در واقع، این واکنش معمولاً در دمای 450-500 درجه سانتیگراد} می شود ، اما بازده تنها 20-25٪ است. روش CaCN ₂ Rothe-Frank-Caro :

CaCN 2 + 3 اچ 2 O ⟶ CaCO 3 + 2 NH 3

روش پرسک از نیترید آلومینیوم AlN و آب:

2 AlN + 3 اچ 2 O ⟶ ال 2 O 3 + 2 NH 3

از NO و H ₂ :

2 نه + 5 اچ 2 ⟶ 2 NH 3 + 2 اچ 2 O

هیدروژن زدایی با نیتروژن (به انگلیسی: hydrodenitrogenation)

3 اچ 2 + آر 3 ن ⟶ 3 آر – اچ + NH 3

در حال حاضر، چندین مطالعه آزمایشگاهی نشان می‌دهد که آمونیاک مستقیماً از نیتروژن و آب در حضور کاتالیزورهای اکسید تیتانیوم (IV) و نور فرابنفش تولید می‌شود :

2 ن 2 + 6 اچ 2 O ⟶ 4 NH 3 + 3 O 2

برنامه

کاربردهای اصلی آمونیاک عبارتند از تهیه کودهای نیتروژن ، تهیه اسید نیتریک به عنوان لحیم کاری و تولید هیدرازین N ₂ H ₄ که به عنوان سوخت برای موشک ها استفاده می شود. علاوه بر این، محلول آمونیاک به عنوان یک پاک کننده خانگی نیز استفاده می شود.

خطر

اگر مقدار زیادی آمونیاک استنشاق کنید، راه های هوایی (گلو) خود را می سوزانید . گاز آمونیاک سیستم عصبی را مهار می کند و احساس تحریک پذیری ایجاد می کند. علائم: سرفه، درد قفسه سینه (شدید)، آنژین صدری، تنگی نفس، تنفس سریع، خس خس سینه، تنگی نفس، سرفه خونی، تشنج با تظاهرات زیر:

• چشم، دهان، گلو: آبریزش چشم و سوزش چشم، نابینایی، گلودرد شدید، درد دهان، شکاف لب.
• قلبی عروقی: نبض سریع، ضعیف، شوک.
• عصبی: گیجی، مشکل در راه رفتن، سرگیجه، عدم هماهنگی، بی قراری، بی حالی.
• پوست: لب های سبز کم رنگ، سوختگی های شدید در صورت قرار گرفتن طولانی مدت.
• معده و دستگاه گوارش: درد شدید معده، استفراغ.