Аміак і сфери його застосування
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань в своє навчання і роботи, будуть вам дуже вдячні.
Аміак - NH3, амоніаку, при нормальних умовах - безбарвний газ з різким характерним запахом (запах нашатирного спирту), майже вдвічі легший за повітря, отруйний. Розчинність NH3 у воді надзвичайно велика - близько 1200 об'ємів (при 0 ° C) або 700 обсягів (при 20 ° C) в обсязі води. У холодильній техніці носить назву R717, де R - Refrigerant (холодоагент), 7 - тип холодоагенту (неорганічне з'єднання), 17 - молекулярна маса.
Молекула аміаку має високу полярністю, що призводить до його хорошою розчинності у воді.
У рідкому аміаку молекули пов'язані між собою водневими зв'язками. Порівняння фізичних властивостей рідкого аміаку з водою показує, що аміак має більш низькі температури кипіння (t кип. --33,35 ° С) і плавлення (tпл. --77,70 ° С), а також більш низьку щільність, в'язкість (в'язкість рідкого аміаку в 7 разів менше в'язкості води), провідність і діелектричну проникність. Це в деякій мірі пояснюється тим, що міцність цих зв'язків в рідкому аміаку істотно нижче, ніж у води, а так само тим, що в молекулі аміаку є лише одна пара неподілених електронів, на відміну від двох пар в молекулі води, що не дає можливість утворювати розгалужену мережу водневих зв'язків між декількома молекулами. Аміак легко переходить в безбарвну рідину з щільністю 681,4 кг / M3, сильно заломлюючу світло. Подібно воді, рідкий аміак сильно асоційований, головним чином за рахунок утворення водневих зв'язків. Рідкий аміак практично не проводить електричний струм. Рідкий аміак - хороший розчинник для дуже великого числа органічних, а також для багатьох неорганічних сполук. Твердий аміак - безбарвні кубічні кристали.
Аміак (в європейських мовах його назва звучить як «нітрид водню») своєю назвою зобов'язаний оазису Амона в Північній Африці, розташованому на перехресті караванних шляхів. У жаркому кліматі сечовина (NH2) 2CO, що міститься в продуктах життєдіяльності тварин, розкладається особливо швидко. Одним з продуктів розкладання і є аміак. За іншими відомостями, аміак отримав свою назву від давньоєгипетського слова амоніан. Так називали людей, які поклоняються богу Амону. Вони під час своїх ритуальних обрядів нюхали нітрид водню NH4Cl, який при нагріванні видає запах аміаку.
Різкий запах аміаку відомий людині з доісторичних часів, так як цей газ утворюється в значних кількостях при гнитті, розкладанні і сухій перегонці містять азот органічних сполук, наприклад сечовини або білків. Не виключено, що на ранніх стадіях еволюції Землі в її атмосфері було досить багато аміаку. Однак і зараз невелику кількість цього газу завжди можна виявити в повітрі і в дощовій воді, оскільки він безперервно утворюється при розкладанні тваринних і рослинних білків. На деяких планетах Сонячної системи ситуація інша: астрономи вважають, що значна частина мас Юпітера і Сатурна припадає на твердий аміак.
Вперше аміак був отриманий в чистому вигляді в 1774 англійським хіміком Джозефом Прістлі. Він нагрівав амоніаку (хлорид амонію) з гашеним вапном (гідроксид кальцію). аміаку - гідроліз нітриду магнію: Mg3N2 + 6H2O ® 2 Реакцію 2NH4Cl + Ca (OH) 2 ® NH3 + CaCl2 досі використовують в лабораторіях, якщо потрібно отримати невеликі кількості цього газу; інший зручний спосіб отримання NH3 + 3Mg (OH) 2.Виделявшійся аміак Прістлі збирав над ртуттю. Він назвав його «лужним повітрям», оскільки водний розчин аміаку мав всі ознаки лугу. У 1784 французький хімік Клод Луї Бертолле за допомогою електричного розряду розклав аміак на елементи і встановив таким чином склад цього газу, який в 1787 отримав офіційну назву «нашатир» - від латинської назви нашатирної лугу - sal ammoniac; цю сіль отримували біля храму бога Амона в Єгипті. Ця назва зберігається і нині в більшості західноєвропейських мов (нім. Ammonium chloride, англ. Ammonia, фр. Ammoniaque); скорочена назва «аміак» яким ми користуємося, ввів в ужиток в 1801 український хімік Яків Дмитрович Захаров, який вперше розробив систему російської хімічної номенклатури.Впрочем, у цій історії, без сумніву, є і передісторія. Так, за сто років до Прістлі його співвітчизник Роберт Бойль спостерігав, як димить паличка, змочена соляною кислотою і підставлена під струмінь пахучого газу, що утворюється при спалюванні гною. В реакції NH3 + HCl ® NH4Cl «дим» створюють дрібні частинки хлориду амонію, що дало привід для розробки цікавого досвіду, «спростовує» приказку «немає диму без вогню». Але і Бойль навряд чи був першим дослідником ще не відкритого аміаку. Адже отримували щось його і раніше, а водний розчин аміаку - нашатирний спирт мало не з давніх часів використовували як особливу луг при обробці і фарбуванні шерсті.К початку 19 ст. аміачну воду отримували з вугілля вже в значних кількостях в якості побічного товару при виробництві освітлювального газу. Але звідки у вугіллі взятися аміаку? Його там і немає, але вугілля містить помітні кількості складних органічних сполук, до складу яких входять крім інших елементів азот і водень. Ці елементи і утворюють аміак при сильному нагріванні (піролізі) вугілля. У 19 ст. на газових заводах при нагріванні без доступу повітря з однієї тонни хорошого кам'яного вугілля отримували до 700 кг коксу і понад 200 кг (300 M3) газоподібних продуктів піролізу. Гарячі гази охолоджували, а потім пропускали через воду, при цьому отримували приблизно 50 кг кам'яновугільної смоли і 40 кг аміачної води.
Однак одержуваного таким способом аміаку явно не вистачало, тому були розроблені хімічні методи його синтезу, наприклад з цианамида кальцію: CaCN2 + 3H2O ® 2NH3 + CaCO3 або з ціаніду натрію: NaCN + 2H2O ® HCOONa + NH3. Ці методи довгий час вважалися перспективними, оскільки вихідні речовини отримували з доступної сировини.
У 1901 французький хімік Анрі Ле Шательє взяв патент на спосіб отримання аміаку з азоту і водню в присутності каталізатора. Однак до промислового використання цього процесу було ще далеко: лише в 1913 запрацювала перша промислова установка синтезу аміаку. В даний час аміак синтезують з елементів на залізному каталізаторі з добавками при температурі 420-500 ° С і тиску близько 300 атм (на деяких заводах тиск може досягати 1000 атм).
Аміак - безбарвний газ, який легко зріджується при охолодженні до -33,3 ° С або при кімнатній температурі при підвищенні тиску приблизно до 10 атм. Замерзає аміак при охолодженні до -77,7 ° С. Молекула NH3 має форму тригранної піраміди з атомом азоту в вершині. Однак, на відміну від піраміди, склеєної, наприклад, з паперу, молекула NH3 з легкістю «вивертається навиворіт», на зразок парасольки, і при кімнатній температурі вона проробляє таке перетворення з величезною частотою - майже 24 млрд. Раз в секунду! Такий процес називається інверсією; його існування доводиться тим, що при заміщенні двох атомів водню, наприклад, на метильную і етильну групи виходить лише один ізомер метілетіламіна. Якби не було інверсії, існували б два просторових ізомери цієї речовини, які відрізнялися б один від одного як предмет і його дзеркальне зображення. Зі збільшенням розміру заступників інверсія сповільнюється, а в разі «жорстких» об'ємистих заступників вона стає неможливою, і тоді можуть існувати оптичні ізомери; роль четвертого заступника грає неподіленої пари електронів у атома азоту. Вперше таке похідне аміаку синтезував в 1944 швейцарський хімік Сміла Прелог. біологічна роль
Аміак є кінцевим товаром азотистого обміну в організмі людини і тварин. Він утворюється при метаболізмі білків, амінокислот і інших азотистих сполук. Він високо токсичний для організму, тому більша частина аміаку в ході орнітінового циклу конвертується печінкою в більш нешкідливе і менш токсичну сполуку - карбамід (сечовину). Сечовина потім виводиться нирками, причому частина сечовини може бути конвертована печінкою або нирками назад в аміак.
Аміак може також використовуватися печінкою для зворотного процесу - ресинтезу амінокислот з аміаку і кетоаналог амінокислот. Цей процес носить назву «відновне амінування». Таким чином з щавелевоуксусной кислоти виходить аспарагінова, з б-кетоглутаровой - глутамінова, і т. Д. Застосування
В основному використовується для виробництва азотних добрив (нітрат і сульфат амонію, сечовина), вибухових речовин і полімерів, азотної кислоти, соди (по аміачним методом) та інших продуктів хімічної промисловості. Рідкий аміак використовують як розчинник.
У холодильній техніці використовується в якості холодильного агента (R717).
Є цікаве вказівку на те, що просочення рідким аміаком сильно підвищує пластичність деревини. Це дозволяє порівняно легко надавати їй ті чи інші задані форми, які після видалення аміаку зберігаються. Нашатирний спирт, що надходить у продаж, містить зазвичай близько 10% аміаку. Він знаходить і медичне застосування. Зокрема, вдихання його парів або прийом всередину (3-10 крапель на чарку води) використовується для зняття стану сильного сп'яніння. Змазування шкіри нашатирним спиртом послаблює дію укусів комах. Дуже розведеним нашатирним спиртом зручно протирати вікна і мити пофарбовані масляною фарбою підлоги, більш міцним - видаляти сліди від мух, чистити срібні або нікельовані предмети.
При виведенні плям хороші результати дають у багатьох випадках такі склади (за обсягом): а) 4 частини нашатирного спирту, 5 частин ефіру і 7 частин винного спирту (денатурату); б) 5 частин нашатирного спирту, 2 частини бензину і 10 частин винного спирту; в) 10 частин нашатирного спирту, 7 частин винного спирту, 3 частини хлороформу і 80 частин бензину; г) 5 частин нашатирного спирту, 3 частини ацетону і 20 частин спиртового розчину мила.
Потрапила на одяг масляну фарбу рекомендується відтирати ватою, змоченими спершу скипидаром, а потім нашатирним спиртом. Для видалення чорнильного плями зазвичай досить обробити його нашатирним спиртом і змити водою.
Аміак - активне і «їдке» з'єднання (їдкість кислот і лугів проявляється в тому, що великі кількості іонів Н + або ОН роз'їдають живу тканину рослин, тварин і, природно, людини; втім, неживу «тканину» вони теж роз'їдають). Однак якщо замінити в аміаку один, два або всі три атома водню на органічні радикали, то «їдкість» істотно знижується, а основні властивості залишаються. Такі сполуки виконують в живій природі функції підстав.
Тварини і людина використовують вже приготовані рослинами азотомісткі органічні сполуки, тому для нас з вами аміак, безумовно, отрута. При попаданні на шкіру концентрований розчин аміаку викликає хімічні опіки, при вдиханні великої кількості аміаку може наступити набряк легенів - реакція організму на вдихання майже всіх їдких речовин.
Однак, як і багато інших отрути, в малих дозах аміак робить позитивний вплив на організм: 10% -й розчин аміаку в воді використовують в медицині для стимуляції дихання (його не п'ють, звичайно, а просто дають понюхати), центральної нервової системи і т . п.
У великих кількостях аміак шкідливий і для рослин. Але в невеликих кількостях він їм необхідний. Адже без азоту, і зокрема без аміаку, не збудувати ті органічні сполуки, які потім перетворюються в рослинні білки, а в подальшому - в білки тварин. Великих кількостей газоподібного аміаку рослини протистоять по-різному. Деякі намагаються припинити йому доступ всередину (наприклад, закривають продихи на листках). Інші рослини переробляють аміак за допомогою відповідних ферментів в нітрат-іони, які для рослин не отруйні, тим самим запасаючи цінний для свого розвитку елемент.
Чи багато металу може розчинити рідкий аміак? Це в основному залежить від температури. При температурі кипіння насичений розчин містить приблизно 15% (мольних) лужного металу. З підвищенням температури розчинність швидко збільшується і стає нескінченно великою при температурі плавлення металу. Це означає, що розплавлений лужної метал (цезій, наприклад, вже при 28,3 ° C) змішується з рідким аміаком в будь-яких співвідношеннях. Аміак з концентрованих розчинів випаровується повільно, так як тиск його насиченої пари прагне до нуля при збільшенні концентрації металу.
Ще один дуже цікавий факт: розбавлені і концентровані розчини лужних металів в рідкому аміаку не змішуються один з одним. Для водних розчинів це рідкісне явище. Якщо ж, припустимо, в 100 г рідкого аміаку внести 4 г натрію при температурі -43 ° C, то утворюється розчин сам собою розшарується на дві рідкі фази. Одна з них, більш концентрована, але менш щільна, виявиться зверху, а розбавлений розчин з більшою щільністю - внизу. Помітити межу між розчинами легко: верхня рідина володіє металевим бронзовим блиском, а нижня має чорнильно-синій колір.
За обсягами виробництва аміак займає одне з перших місць; щорічно у всьому світі отримують близько 100 мільйонів тонн цього з'єднання. Аміак випускається в рідкому вигляді або у вигляді водного розчину - аміачної води, яка зазвичай містить 25% NH3. Величезні кількості аміаку далі використовуються для отримання азотної кислоти, яка йде на виробництво добрив і безлічі інших продуктів. Аміачну воду застосовують також безпосередньо у вигляді добрива, а іноді поля поливають з цистерн безпосередньо рідким аміаком. З аміаку одержують різні солі амонію, сечовину, уротропін. Його застосовують також в якості дешевого холодоагенту в промислових холодильних установках. аміак азотна кислота
Аміак використовується також для отримання синтетичних волокон, наприклад, нейлону і капрону. У легкій промисловості він використовується при очищенні і фарбуванні бавовни, вовни і шовку. У нафтохімічній промисловості аміак використовують для нейтралізації кислотних відходів, а у виробництві природного каучуку аміак допомагає зберегти латекс в процесі його перевезення від плантації до заводу. Аміак використовується також при виробництві соди за методом Сольве. У сталеливарної промисловості аміак використовують для азотування - насичення поверхневих шарів сталі азотом, що значно збільшує її твердість.
Медики використовують водні розчини аміаку (нашатирний спирт) в повсякденній практиці: ватка, змочена в нашатирному спирті, виводить людину з непритомного стану. Для людини аміак в такій дозі не є небезпечним. Проте цей газ токсичний. На щастя, людина здатна відчути запах аміаку в повітрі вже в незначній концентрації - 0,0005 мг / л, коли ще немає великої небезпеки для здоров'я. При підвищенні концентрації в 100 разів (до 0,05 мг / л) проявляється подразнюючу дію аміаку на слизову оболонку очей і верхніх дихальних шляхів, можлива навіть рефлекторна зупинка дихання. Концентрацію 0,25 мг / л насилу витримує протягом години навіть дуже здорова людина. Ще більш високі концентрації викликають хімічні опіки очей та дихальних шляхів і стають небезпечними для життя. Зовнішні ознаки отруєння аміаком можуть бути досить незвичайними. У постраждалих, наприклад, різко знижується слуховий поріг: навіть не дуже гучні звуки стають нестерпні і можуть викликати судоми. Отруєння аміаком викликає також сильне збудження, аж до буйного марення, а наслідки можуть бути дуже важкими - до зниження інтелекту і зміни особистості. Очевидно, аміак здатний вражати життєво важливі центри, так що при роботі з ним треба ретельно дотримуватися запобіжних заходів.
Розміщено на Allbest.ru