amoniak

Amoniak, kwas moczowy — Amoniak, azan, trihydrydoazot, wodorek azotu (III) (NH₃) – nieorganiczny związek chemiczny azotu i wodoru, zaliczany do grupy wodorków kowalencyjnych. Amoniak jest bezbarwnym gazem o ostrym zapachu; bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie i innych rozpuszczalnikach polarnych (np. etanolu, eterze dietylowym). Wodny roztwór amoniaku (woda amoniakalna) ma odczyn zasadowy. Jest palny; spala się żółtawym płomieniem w obecności czystego tlenu. Amoniak w reakcji z kwasami tworzy sole amonowe; z niektórymi solami metali tworzy sole kompleksowe (aminakompleksy). Amoniak obecny w przyrodzie powstaje głównie w procesie biochemicznego rozkładu związków azotowych; na skalę przemysłową jest otrzymywany na drodze syntezy z azotu i wodoru (metoda Habera-Boscha). Wykorzystywany jest w produkcji kwasu azotowego, nawozów sztucznych, włókien syntetycznych i materiałów wybuchowych.

Występowanie amoniaku w przyrodzie

Amoniak jest nieorganicznym związkiem chemicznym występującym powszechnie w świecie przyrody. Amoniak powstaje naturalnie w wyniku amonifikacji, czyli biochemicznego rozkładu związków azotowych (np. białek, mocznika, kwasu moczowego, kwasów nukleinowych) pod wpływem enzymów wydzielanych przez mikroorganizmy określane mianem amonifikatorów (np. bakterie glebowe, grzyby saprotroficzne). Źródło związków azotowych stanowi materia organiczna zawarta w szczątkach roślinnych i zwierzęcych lub produktach przemiany materii (np. moczu i odchodach zwierzęcych). Amoniak występuje głównie w formie rozpuszczonej, (czyli jonów amonowych, NH₄⁺) w wodzie i roztworze glebowym; rzadziej ulatnia się jako gaz do atmosfery. Emisja amoniaku do środowiska wiąże się również z działalnością człowieka; jej źródła stanowi hodowla zwierząt, stosowanie nawozów, składowanie odpadów, oczyszczanie ścieków, kompostowanie, spalanie biomasy bądź używanie katalizatorów samochodowych.

Hodowla zwierząt jest jednym z głównych źródeł emisji amoniaku do środowiska. Fot. serbogachuk/envato

Właściwości fizyczne amoniaku

Amoniak jest bezbarwnym, silnie drażniącym gazem o charakterystycznym ostrym zapachu; jego gęstość w warunkach standardowych (0°C, 1013,25 hPa) wynosi 0,76 g/dm³. Amoniak posiada właściwości higroskopijne – wykazuje zdolność do pochłaniania wilgoci z powietrza. Amoniak wrze w temperaturze –33,34°C, tworząc bezbarwną ciecz o gęstości 0,6819 g/cm³   i dużym cieple parowania wynoszącym 23,5 kJ/mol (tzw. amoniak ciekły). Ciecz zamarza w temperaturze –77,73°C, tworząc bezbarwne kryształy o gęstości 0,817 g/cm³ (tzw. amoniak stały). Punkt potrójny, czyli temperatura i ciśnienie, w których trzy stany skupienia amoniaku istnieją w równowadze termodynamicznej, wynoszą –77,3°C i 6,06 kPa. Punkt krytyczny, czyli temperatura, powyżej której nie jest już możliwe skroplenie amoniaku, wynosi 132,4°C.

Amoniak jest gazem bardzo dobrze rozpuszczalnym w wodzie (520 g/dm³ H₂O w temp. 20°C). Stosunkowo dobrze rozpuszcza się w innych rozpuszczalnikach polarnych, np. etanolu, eterze dietylowym, metanolu, i rozpuszczalnikach niepolarnych, np. chloroformie. Amoniak ciekły ma właściwości jonizujące. Rozpuszcza metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych, tworząc  ciemnoniebieskie roztwory zawierające kationy metali oraz elektrony otoczone cząsteczkami rozpuszczalnika (tzw. elektrony solwatowane). Roztwory mają zdolność przewodzenia prądu elektrycznego. Amoniak jest gazem palnym o temperaturze samozapłonu 651°C; spala się jasnym, żółtawym płomieniem w obecności czystego tlenu. Tworzy mieszaniny wybuchowe w połączeniu z suchym powietrzem w zamkniętych pomieszczeniach (przy 15-28% obj. NH₃).

Budowa cząsteczek amoniaku (NH₃) i kationu amonowego (NH₄⁺). (infografika). Autor: Bacsica/shutterstock.com

Budowa i właściwości chemiczne amoniaku

Amoniak (NH₃), zwany azanem, trihydrydoazotem lub wodorkiem azotu (III), jest związkiem chemicznym o masie molowej 17,03 g/mol, zaliczanym do grupy wodorków kowalencyjnych. Cząsteczka amoniaku ma kształt piramidy trygonalnej zbudowanej z trzech atomów wodoru przyłączonych do atomu azotu za pomocą wiązań kowalencyjnych spolaryzowanych i wolnej pary elektronowej nad atomem azotu. Wolna para elektronów ma większą siłę odpychania niż elektrony wiążące, czego skutkiem jest spłaszczenie cząsteczki i zmniejszenie kąta między wiązaniami.  Wynosi on 106,8°, czyli nieco mniej niż w regularnej strukturze tetraedrycznej (109,28°). Amoniak jest więc cząsteczką polarną o dużym momencie dipolowym (μ = 1,47 D).

Amoniak do celów laboratoryjnych otrzymywany jest w wyniku:

• reakcji wodorotlenków metali alkalicznych (np. wodorotlenku potasu, KOH) z solami amonowymi (np. chlorkiem amonu, NH₄Cl) w podwyższonej temperaturze:

• ogrzewania wody amoniakalnej NH₃(aq) (NH₃ · H₂O) i osuszania powstałego gazu przy użyciu wapna sodowanego (NaOH + CaO):

• ogrzewania soli amonowych (np. węglanu amonu, (NH₄)₂CO₃) w podwyższonej temperaturze:

• rozkładu hydrolitycznego azotków metali (np. azotku magnezu, Mg₃N₂):

Amoniak otrzymywany jest w celach laboratoryjnych w wyniku reakcji wodorotlenku potasu (KOH) z chlorkiem amonu (NH₄Cl) w podwyższonej temperaturze. Autor: SANDIP NEOGI/shutterstock.com

Amoniak na skalę przemysłową otrzymywany jest głównie w procesie bezpośredniej syntezy z azotu i wodoru w warunkach wysokiego ciśnienia (200-400 atm) i temperatury (450-550°C) przy udziale katalizatorów (metoda Habera-Boscha):

Synteza amoniaku zachodzi w reaktorze amoniakalnym. Sprężona mieszanina wodoru i azotu przepływa przez warstwy katalizatora żelaznego z domieszką tlenków potasu, wapnia i glinu. Amoniak wydzielany jest z mieszaniny gazów (85% N₂ i H₂, 15% NH₃) w wyniku zamrażania pod podwyższonym ciśnieniem (ciekły amoniak) lub wymywania wodą (woda amoniakalna).

Metoda Habera-Boscha polega na otrzymywaniu amoniaku w drodze bezpośredniej syntezy z azotu i wodoru. Autor: Dream01/shutterstock.com

Właściwości chemiczne amoniaku

• Amoniak rozpuszcza się w wodzie, tworząc wodny roztwór amoniaku o odczynie zasadowym (wodę amoniakalną). Niektóre cząsteczki amoniaku ulegają dysocjacji elektrolitycznej, zgodnie z równaniem:

Kationy amonowe (NH₄⁺) powstają w wyniku przyciągania protonów (H⁺) z cząsteczki wody (H₂O) przez wolną parę elektronową atomu azotu cząsteczki amoniaku (NH₃).

• Ciekły amoniak ulega autodysocjacji polegającej na przeniesieniu protonu (H⁺) między cząsteczkami rozpuszczalnika, wykazujących zarówno właściwości kwasu (donora protonów), jak i zasady (akceptora protonu):

Kwas po oddaniu protonu jest sprzężoną zasadą (anion amidkowy, NH₂⁻), zaś zasada po przyjęciu protonu jest sprzężonym kwasem (kation amonowy, NH₄⁺). Amoniak jest więc związkiem amfiprotycznym, zdolnym do odłączania i przyłączania protonów.

• Amoniak ulega reakcji spalania w obecności czystego tlenu (O₂) i odpowiedniej ilości energii cieplnej, z wytworzeniem azotu cząsteczkowego (N₂) i pary wodnej (H₂O):

Spalanie amoniaku w obecności katalizatora, np. platyny, przy odpowiedniej temperaturze, prowadzi do wytworzenia tlenku azotu (NO) i pary wodnej (H₂O):

• Amoniak reaguje z mocnymi kwasami, np. kwasem solnym (HCl), kwasem azotowym (V) (HNO₃), tworząc odpowiednie sole amonowe – chlorek amonu (salmiak) (NH₄Cl), azotan (V) amonu (saletrę amonową) (NH₄NO₃):

• Amoniak reaguje z niektórymi solami metali, np. siarczanem (VI) miedzi (II) (CuSO₄), chlorkiem srebra (I) (AgCl), tworząc odpowiednie aminakompleksy – siarczan (VI) tetraaminamiedzi (II), [Cu(NH₃)₄]SO₄ oraz chlorek diaminasrebra (I), [Ag(NH₃)₂]Cl:

• Ciekły amoniak reaguje z metalami alkalicznymi, np. litem (Li), sodem (Na), tworząc roztwory amidków – amidku litu (LiNH₂) i amidku sodu (NaNH₂) o ciemnoniebieskiej barwie (solwatowane elektrony):

• Amoniak reaguje z halogenkami alkilowymi, np. chlorometanem (CH₃Cl), i alkoholami, np. metanolem (CH₃OH), tworząc aminy – w tym przypadku metyloaminę (CH₃NH₂):

Roztwory wodne amoniaku reagują gwałtownie z halogenami, związkami złota, srebra, rtęci, germanu i telluru, tworząc związki wybuchowe wrażliwe na uderzenia, jak m.in. amoniakat trijodku azotu (NI₃ · NH₃) i srebro piorunujące, czyli mieszanina azotku srebra (Ag₃N) i imidku srebra (Ag₂NH) osadzająca się na powierzchni wodorotlenku diaminasrebra (I) [Ag(NH₃)₂]OH.

Ekologia.pl poleca

Pielęgnacja ogrodu

Pług do glebogryzarki – idealny także wtedy, gdy trzeba szybko odśnieżyć teren?

Uroda

Babcine sposoby na wypadanie włosów – naturalna pielęgnacja, która działa

Amoniak pełni istotną rolę w obiegu azotu w przyrodzie. (infografika)
Autor: Budi Sud/shutterstock.com

Znaczenie biologiczne amoniaku

Amoniak (NH₃) jest związkiem pełniącym istotną rolę w obiegu azotu w przyrodzie (cyklu azotowym). Powstaje głównie w wyniku amonifikacji, czyli rozkładu szczątków organicznych przez bakterie i grzyby (amonifikatory), oraz w procesie wiązania azotu cząsteczkowego (N₂) przy udziale bakterii azotowych (diazotroficznych). Amoniak dobrze rozpuszcza się w wodzie (np. w roztworze glebowym), tworząc łatwą przyswajalną dla roślin formę azotu – kationy amonowe (NH₄⁺). Jony te są substratem dla bakterii nitryfikacyjnych, które utleniają je do innej przyswajalnej formy azotu, czyli azotanów (V) (NO₃⁻). Jony NH₄⁺ i NO₃⁻ pobierane są przez rośliny i następnie wykorzystywane w procesie syntezy białek i kwasów nukleinowych.

Amoniak jest substancją niezbędną w przebiegu wielu procesów biologicznych zachodzących w organizmach zwierząt i człowieka. Jest cząsteczką prekursorową w syntezie aminokwasów i nukleotydów, budujących białka i kwasy nukleinowe. Jony amonowe uczestniczą w regulacji równowagi kwasowo-zasadowej organizmu (tzw. amoniogeneza). Amoniak stanowi końcowy produkt przemian metabolicznych aminokwasów (tzw. deaminacji). Może być bezpośrednio wydalany na zewnątrz organizmu (zwierzęta amonioteliczne, np. bezkręgowce wodne, ryby, kijanki płazów) lub po uprzedniej detoksykacji w postaci mocznika (zwierzęta ureoteliczne, np. płazy, ssaki) bądź kwasu moczowego (zwierzęta urikoteliczne, np. owady, gady, ptaki).

Zastosowania amoniaku

Amoniak wykorzystywany jest w przemyśle chemicznym do produkcji kwasu azotowego (V) (metoda Ostwalda), węglanu sodu (sody amoniakalnej) (metoda Solvaya), cyjanowodoru, amin (np. metyloaminy), amidów (np. formamidu, dimetyloformamidu) oraz akrylonitrylu. Jest stosowany w produkcji nawozów sztucznych, jak azotan (V) amonu (saletra amonowa), siarczan (VI) amonu, chlorek amonu (salmiak), wodorofosforan amonu i mocznik. Amoniak jest wykorzystywany również do produkcji materiałów wybuchowych (np. trinitrotoluenu, nitrogliceryny i nitrocelulozy), włókien syntetycznych (np. nylonu, sztucznego jedwabiu), tworzyw sztucznych, barwników i pestycydów. Ciekły amoniak jest powszechnie stosowany w charakterze czynnika chłodzącego w dużych urządzeniach chłodniczych i klimatyzacyjnych.

Bibliografia:

1. Biologia Campbella, Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson, Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020.
2. Chemistry of the Elements (2nd ed.), Norman Neill Greenwood, Alan Earnshaw, Butterworth-Heinemann, Oxford 1997.
3. Chemistry³. Introducing inorganic, organic and physical chemistry, Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price, Oxford University Press, 2017.
4. Encyklopedia biologiczna T. I, Zdzisława Otałęga (red. nacz.), Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1998.
5. Nowoczesne kompendium chemii, -H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.
6. Podstawy chemii dla kandydatów na wyższe uczelnie, K.M. Pazdro, Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa 1991.
7. Podstawy chemii nieorganicznej Tom II, Adam Bielański, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012.