Article

May 19, 2022

氨是一种含氮化合物,化学式为 NH3。它是一种无色有毒气体,具有特有的刺鼻气味。它极易溶于水,因此具有明显的碱性。

背景

以铵盐形式存在的氨在古典时代就已为人所知:在普林尼的著作中,提到了一种称为 Hammoniacus sal 的物质,尽管尚不清楚它是否指的是我们今天称之为“铵盐”的物质.后者得名于埃及锡瓦绿洲中的朱庇特阿蒙神庙,在当地骆驼司机为取暖而燃烧的单峰骆驼粪便的灰烬中意外观察到它时,首次发现它本身就是一种物质。至少从 13 世纪开始,炼金术士就知道铵盐,当时它出现在阿尔伯特大帝的著作中:15 世纪,密封学家巴兹尔瓦伦丁 (Basil Valentine) 发现可以通过使铵盐与碱。不久之后,人们发现还可以通过蒸馏牛的角和蹄,并用盐酸中和产生的蒸气来获得铵盐:氨的古盎格鲁撒克逊名称,哈特索恩精神因此而得名。 1774 年,Joseph Priestley 最终分离出纯气态氨,他称其为“碱性空气”,三年后(1777 年)Carl Scheele 证明它含有氮:Claude Berthollet 于 1785 年发现了氨的化学计量组成。德国化学工业巴斯夫,Fritz Haber 和 Carl Bosch 于 1913 年开始工业生产氨。还可以通过蒸馏牛的角和蹄并用盐酸中和产生的蒸气来制取铵盐:因此氨的古盎格鲁-撒克逊名称,哈特索恩的精神。 1774 年,Joseph Priestley 最终分离出纯气态氨,他称其为“碱性空气”,三年后(1777 年)Carl Scheele 证明它含有氮:Claude Berthollet 于 1785 年发现了氨的化学计量组成。德国化学工业巴斯夫,Fritz Haber 和 Carl Bosch 于 1913 年开始工业生产氨。还可以通过蒸馏牛的角和蹄并用盐酸中和产生的蒸气来制取铵盐:因此氨的古盎格鲁-撒克逊名称,哈特索恩的精神。 1774 年,Joseph Priestley 最终分离出纯气态氨,他称其为“碱性空气”,三年后(1777 年)Carl Scheele 证明它含有氮:Claude Berthollet 于 1785 年发现了氨的化学计量组成。德国化学工业巴斯夫,Fritz Haber 和 Carl Bosch 于 1913 年开始工业生产氨。三年后(1777 年)Carl Scheele 证明它含有氮:Claude Berthollet 于 1785 年发现了氨的化学计量组成。氨的工业生产开始于德国化学工业巴斯夫的实验室,由 Fritz Haber 和 Carl 1913 年的博世。三年后(1777 年)Carl Scheele 证明它含有氮:Claude Berthollet 于 1785 年发现了氨的化学计量组成。氨的工业生产开始于德国化学工业巴斯夫的实验室,由 Fritz Haber 和 Carl 1913 年的博世。

特征

无水氨分子的形状是变形的四面体;氮原子以 sp3 杂化出现在那里,占据中心位置并结合三个氢原子。底是一个等边三角形,被三个氢原子占据,而四面体的第四个顶点被一个孤对占据,它主要负责分子的所有性质:氢键的形成,根据路易斯和布朗斯特德的碱度-低,高介电常数和偶极矩,在水中的溶解度高。角HNH为107.5°,对称元素为1个旋转轴C3和3个反射面σv,没有反转中心i。根据 VSEPR 术语,它的表示是 AX3E(三角金字塔)。如果被适当激发,氨分子可以发生瓦尔登反转,即非键合双峰可以在三个氢原子平面的上方和下方振荡;这种反转也延伸到胺。 1953年利用低压气相中氨的构型反转产生了第一台受激发射微波激射器。在室温下,氨是一种无色气体,具有强烈的刺激性和窒息性气味,具有刺激性和毒性。在 O2 存在下,因此在空气中,它可以腐蚀铝、铜、镍及其合金。它是一种弱碱性化合物,可与酸反应形成相应的铵盐。具有还原性,也能与氧气发生爆炸性反应,并与卤素结合生成卤胺。它是最著名和研究最多的非水极性溶剂之一;它的最大特点是溶解碱金属,形成具有高导电性的深蓝色溶液。与水相比,氨具有更低的电导率、更低的介电常数、更低的密度和粘度、更低的凝固点和沸点。液氨在-50℃温度下的离子自解离常数约为10-30M2。它是一种极易溶于水的化合物:在 0 °C 时,一升水可以溶解超过 680 升 NTP 氨,氨以下列方式非常微弱地离解,在 25 时生成 Kb 为 1.85 × 10-5 的碱性水溶液℃:NH 3 + H 2 O ⟶ NH 4 + + OH - {\ displaystyle {\ ce {NH3 + H2O -> NH4 + + OH-}}} 或:

化学分析

由于其具有穿透性的气味,可以很容易地检测到大气中是否存在氨;在液体或固体中,即使是极少量的氨或氨盐也可以很容易地检测到,只需将几滴 Nessler 溶液添加到测试物质中,在氨的存在下,测试物质会变成深黄色。乙酸蒸气用于在气味是次要因素的环境中检测气态氨。这些与氨接触会引起化学反应,生成乙酸铵:NH 3 + CH 3 COOH ⟶ (CH 3 COO) NH 4 {\ displaystyle {\ ce {NH3 + CH3COOH -> (CH3COO) NH4}}}极易溶解的铵盐,但是如果它发生在气态的两种化合物之间,则可能会注意到白色烟雾,这是由醋酸铵的微观晶体产生的。这种方法广泛用于氨气味正常的地方,如使用它的行业,以及检测这种气体的泄漏至关重要的地方。

自然存在

地球上的分布

地球上自然存在着氨的痕迹,它们是由动植物的腐烂或尿素的分解产生的。在雨水中也发现了少量,以及一些铵盐。氯化铵和硫酸铵存在于火山地区,而在巴塔哥尼亚的鸟粪中发现了碳酸氢铵晶体。肾脏分泌氨来中和任何多余的酸。最后,各种铵盐溶解在海水和肥沃的土壤中。

宇宙分布

在木星、土星和它们的一些卫星(如土卫二)上发现了氨的痕迹。它们以固体形式(在木星上的温度约为 -150 °C)或以盐的形式存在于云中,从而产生称为硫化铵的分子。由于莫纳克亚山的加州理工学院亚毫米波天文台等微波望远镜的观测,在星际云中也证实了氨的存在。

合成

在二十世纪头几年之前,氨是通过煤的蒸馏或用纯氢还原硝酸和亚硝酸盐或通过碱性氢氧化物或氧化钙分解其盐类(通常是铵盐,NH4Cl)来获得的( CaO)。今天氨是根据气相中的直接反应合成的:3 H 2 + N 2 ⟶ 2 NH 3 {\ displaystyle {\ ce {3 H2 + N2 -> 2 NH3}}} 在基于锇、钌、铀或铁的催化剂存在下进行:这通常最后使用催化剂以磁铁矿(FeO·Fe2O3)为原料制备。使用的主要方法是 Haber-Bosch、Fauser、Casale、Claude、NEC、Mont-Cenis、它们在反应发生时的压力不同,因此在合成装置中也不同。使用的主要方法是Haber-Bosch工艺,其中反应在20 MPa(约200 atm)的压力和400-500°C的温度下进行。在标准条件下,在 25°C 的温度下,元素的形成反应是放热的(ΔH°f - 46.1 kJ / mol)和放热的(ΔG° f - 16.5 kJ / mol),尽管它开始时数量减少摩尔数 (ΔS° - 99.35 J / K.mol)。然而,在这些条件下,由于动力学原因(高活化能),反应不会显着进行。 ΔG° (T) 也随着温度的升高呈线性增加,并且对于高于 455 K 的值变为正值;因此,在 182°C 以上,地层反应变得内能,在热力学上不利,但由于它在气相中运行,摩尔数减少,因此可以在压力下操作,使其即使在更高的温度下也有利。因此,平衡中氨的百分比随着压力的增加和温度的降低而增加。然而,为了使反应以显着的速率发生,需要能够破坏氮分子的三键的催化剂,这需要高能量。催化剂必须能够离解吸附氮,但吸附不能太强,使氮失去反应性,从而使NH3 可以很容易地解吸并且没有活性中心。满足这些先决条件的催化剂以贵金属或铁为基础。为了获得高产率,在任何情况下都在 20% 左右,必须冷却催化剂以获得内部降低的温度分布;通过这样做,我们将在反应器入口 (600 °C) 处获得更高的温度,其特征是产率低和动力学高,而出口处的温度 (450 °C) 将更低,特征在于产率更高,但动力学缓慢。氧化铁被氢气还原以形成由金属铁的微晶聚集体组成的多孔材料。其他氧化物(Al2O3、MgO、CaO、K2O)与氧化铁混合作为促进剂:Al2O3、MgO、CaO 保护催化剂免于老化,而 K2O 是一种活化促进剂并促进氨的解吸,作为一种碱性氧化物,K2O 中和了两性的 Al2O3 的酸性,但在这种情况下它具有酸性行为。产生的氨必须与送去回收的残余气体分离。要做到这一点,只需冷却气体并让它在闪蒸中膨胀:残余气体(N2、H2)在吹扫(任何稀有气体、甲烷等,必须排除)后循环使用,通常在避免主反应器中的催化剂中毒;另一方面,存在的氨冷凝并可以取出。氨可以以两种形式储存和运输:或在低温压力罐中将其保持在其沸点以下的纯无水液体,或在室温下在普通容器中的水溶液(按重量计 35% 氨水 / 65% 水)。在实验室中,氯化铵与氢氧化钠反应可制取少量氨:NH 4 Cl + NaOH ⟶ NaCl + NH 3 + H 2 O {\displaystyle {\ce {NH4Cl + NaOH -> NaCl + NH3 + H2O}}}

意大利的氨生产

氨的生产,特别是在过去,被认为是一个国家化学工业发展的基本指标,过去在意大利,它取得了长足的发展。在意大利工业史上,Fauser 专利是重要的一页,并导致在诺瓦拉建立工业中心,后来与蒙特卡蒂尼合并。随后的发展与化肥行业以及费拉拉、特尔尼和波尔图马尔盖拉中心的发展息息相关。与此同时,在圣朱塞佩迪开罗和普里奥洛加加洛以及大型拉文纳中心也开发了工厂,以更好地利用甲烷。随后发生的 Enichem 农业危机导致工厂大幅缩减生产规模,仅集中在费拉拉和特尔尼,并出售给今天的挪威挪威水电公司 Yara。继雅拉于 2008 年停止在特尔尼生产氨后,费拉拉工厂是意大利唯一一家生产氨的工厂,最大产能约为每年 60 万吨。

应用

氨的用途数不胜数:它是工业领域中极其重要的物质。氨最重要的应用是生产硝酸。在这个过程中,由九份空气和一份氨组成的混合物在 850°C 下通过铂催化剂,在铂催化剂上氧化成氮氧化物:4 NH 3 + 5 O 2 ⟶ 4 NO + 6 H 2 O {\displaystyle {\ce {4 NH3 + 5 O2 ->4 NO + 6 H2O}}} 2 NO + O 2 ⟶ 2 NO 2 {\ displaystyle {\ ce {2 NO + O2->2 NO2}}} 4 NO 2 + 2 H 2 O + O 2 ⟶ 4 HNO 3 {\ displaystyle {\ ce {4 NO2 + 2 H2O + O2 -> 4 HNO3}}} 也用:用于家庭用作农业肥料的基础 作为合成碳酸氢钠的中间体 作为涂料的组分 作为制冷工业中的制冷剂 用首字母 R-717 表示用于生产炸药尼龙和合成纤维用于生产塑料和聚合物在造纸工业中作为溶剂在橡胶工业中作为增白剂在家庭环境中作为各种用途的洗涤剂可用于冶金中染发剂的许多表面以获得还原气氛在燃烧中,出于安全原因,在 25% 的水溶液中,作为控制卷烟生产中氮氧化物 (NOx) 的试剂在汉堡肉加工过程中,氨会加速大脑受体对尼古丁的摄取,从而将其从大肠杆菌中消毒。液氨通常用作溶剂,在强还原剂(金属钠)存在下进行还原反应) 否则会在水中立即反应。因此,可以从氨的自质子分解常数 (2 NH3 NH2- + NH4 + pKa 27) 和新的标准电位标度开始构建新的 pH 标度。氨在水中稀释的百分比小于 10%,可用于治疗因昆虫叮咬、水母接触或与荨麻等带刺植物接触而引起的荨麻疹;然而,最近在美国进行的一项研究表明,经过严格的实验验证,氨对由水母(Chrysaora quinquecirrha、Chiropsalmus quadrumanus和Physalia physalis)的刺丝囊引起的炎症的治疗作用很少。在有机化学中,它经常用作制备的试剂胺,如与 1-丙醇反应得到丙胺。

健康风险

氨会刺激呼吸道并导致严重的症状,甚至可能导致死亡。与眼睛接触也有刺激性,并可能导致溃疡。如不慎入眼,立即用流水冲洗至少 15 分钟,保持眼睑张开,缓慢转动眼球,然后咨询眼科医生。吸入时,要远离污染区,躺下,在通风的环境中休息。如果持续咳嗽或意识丧失,但有呼吸,则需要在低压下给氧;在没有呼吸的情况下,必须先进行人工呼吸,然后再给氧。接触几小时后会出现任何肺水肿,因此您应立即就医。 L'摄入溶液需要立即就医;如果误食,必须用水漱口,不要催吐,以免食道再次接触腐蚀性物质,可能误食水和蛋清。氨的高毒性在于,当它溶解在血液中时,它会通过增加血红蛋白对氧的亲和力来提高血液的 pH 值,以至于无法将其释放到组织中,并且它与α-酮戊二酸结合,有效地阻断了克雷布斯循环。它还形成气体栓塞。如有必要,摄取水和蛋清。氨的高毒性在于,当它溶解在血液中时,它会通过增加血红蛋白对氧的亲和力来提高血液的 pH 值,以至于无法将其释放到组织中,并且它与α-酮戊二酸结合,有效地阻断了克雷布斯循环。它还形成气体栓塞。如有必要,摄取水和蛋清。氨的高毒性在于,当它溶解在血液中时,它会通过增加血红蛋白对氧的亲和力来提高血液的 pH 值,以至于无法将其释放到组织中,并且它与α-酮戊二酸结合,有效地阻断了克雷布斯循环。它还形成气体栓塞。

笔记

参考书目

Treccani 碳氢化合物百科全书,第二卷:基础工业 - 炼油和石化,第 1 章。10.4.1 甲醇生产技术,第 514-5 页 (PDF),在 treccani.it 上。

相关项目

胺 铵 季铵 氢氧化铵 肼 羟胺 Maser Schweizer 试剂 氨生产商 Agrimont Enichem 农业 Norsk Hydro Yara

其他项目

维基词典包含词典 词条 «氨» 维基共享资源包含有关氨的图像或其他文件

外部链接

(EN) Ammonia,在 Encyclopedia Britannica,Encyclopædia Britannica, Inc. 氨工业。(PDF),在 www2.ing.unipi.it。在 itchiavari.org 上制备氨。arpa.emr.it 上的安全数据表。2011 年 3 月 10 日检索(从 2012 年 1 月 31 日的原始网址存档)。