Аммиак
Общие сведения
Аммиак, химическая формула которого представляет собой соединение азота и водорода, также известен под международными названиями нитрид водорода или амман. При нормальных условиях вещество представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом. Вещество относится к четвертому классу опасности, однако при высоких концентрациях представляет серьезную угрозу для жизни и здоровья. Аммиак является одним из важнейших продуктов современной химической промышленности, выступая базовым сырьем для синтеза множества азотсодержащих соединений. Исторически название вещества связывают с оазисом Аммониум в Ливийской пустыне, где добывался нашатырь, а также с древними ритуалами жрецов бога Амона, вдыхавших пары хлорида аммония. Как химическое соединение аммиак был открыт в тысяча семьсот семьдесят четвертом году Джозефом Пристли, который назвал его щелочным воздухом. Точный химический состав соединения был установлен в тысяча семьсот восемьдесят пятом году Клодом Луи Бертолле.
Свойства и характеристики
Молекула аммиака имеет пространственную структуру в виде треугольной пирамиды, в вершине которой находится атом азота, образующий ковалентные связи с атомами водорода. Плотность газообразного аммиака вдвое меньше плотности воздуха, благодаря чему газ стремится вверх. Вещество отличается чрезвычайно высокой растворимостью в воде: при нуле градусов Цельсия в одном объеме воды растворяется тысяча двести объемов аммиака. Температура кипения жидкого аммиака составляет минус тридцать три градуса Цельсия, а температура плавления равна минус семидесяти семи градусам. В твердом состоянии вещество представляет собой кубические кристаллы. Жидкий аммиак является бесцветной, сильно преломляющей свет жидкостью с плотностью и вязкостью значительно ниже, чем у воды, и практически не проводит электрический ток. В жидкой фазе образуются слабые водородные связи, а само вещество способно к незначительной диссоциации. Жидкий аммиак выступает эффективным ионизирующим растворителем, в котором могут растворяться щелочные и щелочноземельные металлы с образованием растворов синего цвета. С химической точки зрения аммиак проявляет свойства слабого основания. Водный раствор аммиака имеет слабощелочную реакцию. При взаимодействии с кислотами образуются соли аммония, с металлами синтезируются амиды, имиды и нитриды. При нагревании в атмосфере кислорода аммиак способен гореть с образованием воды и азота. Окисление на платиновом катализаторе приводит к образованию оксидов азота. Взаимодействие с галогенами образует нестабильные взрывчатые вещества, такие как хлористый или йодистый азот. При температуре около тысячи градусов Цельсия реакция с углем или метаном дает синильную кислоту. Аммиак также активно образует комплексные соединения с солями переходных металлов, что сопровождается изменением окраски растворов. Физиологическое воздействие аммиака характеризуется удушающим и нейротропным эффектом. Пары вещества вызывают раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей, что может привести к слепоте, химическим ожогам легких и рефлекторной остановке дыхания. Жидкий аммиак при попадании на кожу вызывает сочетанное поражение в виде обморожения и химического ожога. Нейтрализация химического воздействия аммиака на ткани осуществляется с помощью слабых кислот, таких как лимонная, борная или уксусная.
Нахождение в природе
В естественной среде аммиак постоянно образуется в результате процессов гниения органических остатков и разложения белка, выступая важным источником азота для растений и участвуя в биологическом круговороте веществ. Повышенная концентрация аммиака в водоемах или атмосферном воздухе служит индикатором интенсивных процессов распада органики. В организмах животных аммиак является токсичным конечным побочным продуктом метаболизма аминокислот. Различные классы живых существ выработали собственные механизмы экскреции азота: рыбы и амфибии выделяют аммиак в чистом виде, птицы и насекомые трансформируют его в мочевую кислоту, а млекопитающие синтезируют менее токсичную мочевину. В организме человека преобразование аммиака в мочевину происходит в печени, а ее выведение обеспечивается почками. При нарушениях функций этих органов, врожденных генетических дефектах или состояниях, сопровождающихся массивным распадом белка, таких как обширные ожоги, сепсис, гангрена или тяжелый сахарный диабет, уровень аммиака в крови возрастает. Данное патологическое состояние, известное как гипераммониемия, приводит к тяжелым неврологическим нарушениям, угнетению сознания, коматозным состояниям и внутренней интоксикации организма.
Получение
До начала двадцатого века соединения азота получали преимущественно из природных источников, в частности из чилийской селитры. Задача промышленного синтеза аммиака непосредственно из атмосферного азота и водорода была успешно решена в тысяча девятьсот девятом году немецким химиком Фрицем Габером. В Советском Союзе первая партия синтетического аммиака была получена в тысяча девятьсот двадцать восьмом году. Современный промышленный способ основан на прямом взаимодействии водорода и азота. Данная реакция является экзотермической и протекает с уменьшением объема. Для достижения оптимальной скорости реакции и приемлемого выхода продукта синтез проводят при температуре около пятисот градусов Цельсия, давлении в триста пятьдесят атмосфер и с обязательным применением катализатора, в качестве которого часто используется пористое железо с примесями. Выход аммиака в таких условиях составляет около тридцати процентов, поэтому в технологическом процессе применяется принцип циркуляции: образовавшийся аммиак удаляется из смеси путем охлаждения и сжижения, а непрореагировавшие газы вновь направляются в реактор. В лабораторных условиях аммиак получают при воздействии сильных щелочей на соли аммония или путем слабого нагревания смеси хлорида аммония с гашеной известью. Производство аммиака представляет собой крупную отрасль мировой экономики, значительная доля которой приходится на предприятия России, обеспечивающие около девяти процентов мирового выпуска и четверть глобального экспорта, а также на специализированные заводы в Беларуси и Украине.
Применение
Наиболее масштабным направлением промышленного использования аммиака является производство азотных удобрений, в том числе мочевины. Вещество служит базовым сырьем для массового синтеза азотной кислоты, различных полимерных материалов и взрывчатых веществ. Благодаря высокой теплоте испарения жидкий аммиак широко применяется в качестве эффективного хладагента в промышленных холодильных установках. В медицинской практике и быту активно используется десятипроцентный водный раствор аммиака, известный как нашатырный спирт. Этот раствор применяется для кратковременной стимуляции дыхания и выведения из обморочных состояний. В сильно разведенном виде препарат может использоваться для индукции рвоты. Наружное применение включает обработку рук хирурга в составе теплого водного раствора, использование в виде примочек при укусах насекомых, а также местные растирания при невралгиях в качестве отвлекающего средства. При использовании растворов аммиака в медицинских целях требуется строгое соблюдение концентрации во избежание тяжелых химических ожогов пищеварительного тракта и слизистых оболочек дыхательных путей.