Аммиа́к (нитрид водорода, гидрид азота, аммониа́к, химическая формула — NH3) — бинарное неорганическое химическое соединение, молекула которого состоит из одного атома азота и трёх атомов водорода.
При нормальных условиях, аммиак — это бесцветный газ с резким характерным запахом.
Аммиак относится к числу важнейших продуктов химической промышленности, ежегодное его мировое производство превышает 180 млн тонн. На 2024 год 80 % ежегодно производимого аммиака используют для производства удобрений, 20 % — как растворители для технических нужд, но также растёт применение аммиака в энергетике.
Физические свойства Плотность аммиака почти вдвое меньше, чем у воздуха. Токсичен, ПДКр.з. составляет 20 мг/м3 — 4-й класс опасности (малоопасные вещества) в соответствии ГОСТ 12.1.007-76. Растворимость аммиака в воде чрезвычайно велика — около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды. В холодильной технике носит название R717, где R — (хладагент), 7 — тип хладагента (неорганическое соединение), 17 — молекулярная масса.
Молекула аммиака имеет форму треугольной пирамиды с атомом азота в вершине. Три неспаренных p-электрона атома азота участвуют в образовании полярных ковалентных связей с 1s-электронами трёх атомов водорода (связи N-H), четвёртая пара внешних электронов является неподелённой, она может образовать ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму с ионом водорода, образуя ион аммония NH4^+. Несвязывающее двухэлектронное облако строго ориентировано в пространстве, поэтому молекула аммиака обладает высокой полярностью, что приводит к его хорошей растворимости в воде.
В жидком аммиаке молекулы связаны между собой водородными связями. Сравнение физических свойств жидкого аммиака с водой показывает, что аммиак имеет более низкие температуры кипения (tкип −33,35 °C) и плавления (tпл −77,70 °C), а также меньшие плотность, вязкость (в 7 раз меньше вязкости воды), проводимость (почти не проводит электрический ток) и диэлектрическую проницаемость. Это в некоторой степени объясняется тем, что прочность водородных связей в жидком аммиаке существенно ниже, чем у воды; а также тем, что в молекуле аммиака имеется лишь одна пара неподелённых электронов, в отличие от двух пар в молекуле воды, что не даёт возможность образовывать разветвлённую сеть водородных связей между несколькими молекулами. Аммиак легко переходит в бесцветную жидкость с плотностью , сильно преломляющую свет. Подобно воде, жидкий аммиак сильно ассоциирован, главным образом за счёт образования водородных связей. Жидкий аммиак — хороший растворитель для очень большого числа органических, а также для многих неорганических соединений. Твёрдый аммиак — кубические кристаллы.
Химические свойства Благодаря наличию неподелённой электронной пары во многих реакциях аммиак выступает как основание Брёнстеда или комплексообразователь. Так, он присоединяет протон, образуя ион аммония: NH3 + H+ -> NH4+.
Водный раствор аммиака («нашатырный спирт») имеет слабощелочную реакцию из-за протекания процесса: NH3 + H2O -> NH4+ + OH-, Ko=1,8
Взаимодействуя с кислотами, даёт соответствующие соли аммония: NH3 + HNO3 -> NH4NO3
Аммиак также способен образовывать с металлами соли — амиды, имиды и нитриды. Соединения, содержащие ионы NH2-, называются амидами, NH^{2-} — имидами, а N^{3-} — нитридами. Амиды щелочных металлов получают, действуя на них аммиаком: 2NH3 + 2K -> 2KNH2 + H2 ^. Амиды, имиды и нитриды ряда металлов образуются в результате некоторых реакций в среде жидкого аммиака. Нитриды можно получить нагреванием металлов в атмосфере азота.
Амиды металлов являются аналогами гидроксидов. Эта аналогия усиливается тем, что ионы OH- и NH2-, а также молекулы H2O и NH3 изоэлектронны. Амиды являются более сильными основаниями, чем гидроксиды, а следовательно, подвергаются в водных растворах необратимому гидролизу: NaNH2 + H2O -> NaOH + NH3 ^. и в спиртах: KNH2 + C2H5OH -> C2H5OK + NH3 ^.
Подобно водным растворам щелочей, аммиачные растворы амидов хорошо проводят электрический ток, что обусловлено диссоциацией: KNH2 \rightleftarrows {K+} + NH2-.
Фенолфталеин в этих растворах окрашивается в малиновый цвет, при добавлении кислот происходит их нейтрализация. Растворимость амидов изменяется в такой же последовательности, что и растворимость гидроксидов: LiNH2 — нерастворим, NaNH2 — малорастворим, KNH2, RbNH2 и CsNH2 — хорошо растворимы.
При нагревании аммиак разлагается, проявляет восстановительные свойства. Так, он горит в атмосфере кислорода, образуя воду и азот. Окисление аммиака воздухом на платиновом катализаторе даёт оксиды азота, что используется в промышленности для получения азотной кислоты: 2NH3 ->[1200\text{—}1300~^\circ\text{C}] {N2} + 3H2 (реакция обратима), 4NH3 + 3O2 -> 2N2 ^ + 6H2O (без катализатора, при повышенной температуре), 4NH3 + 5O2 -> 4NO ^ + 6H2O (в присутствии катализатора, при повышенной температуре).
На восстановительной способности NH3 основано применение нашатыря NH4Cl для очистки поверхности металла от оксидов при их пайке: 3CuO + 2NH4Cl -> 3Cu + 3H2O + 2HCl + N_2
Окисляя аммиак гипохлоритом натрия в присутствии желатина, получают гидразин: 2NH3 + NaOCl -> N2H4 + NaCl + H2O Концентрированная хлорная кислота окисляет аммиак до азотной кислоты: NH3 + HClO4 -> HCl + HNO3 + H2O
Галогены (хлор, йод) образуют с аммиаком опасные взрывчатые вещества — галогениды азота (хлористый азот, иодистый азот). С галогеноалканами аммиак вступает в реакцию нуклеофильного присоединения, образуя замещённый ион аммония (способ получения аминов): NH3 + CH3Cl -> [CH3NH3]Cl(гидрохлорид метиламмония).
С карбоновыми кислотами, их ангидридами, галогенангидридами, эфирами и другими производными даёт амиды. С альдегидами и кетонами — основания Шиффа, которые возможно восстановить до соответствующих аминов (восстановительное аминирование). При 1000 °C аммиак реагирует с углём, образуя синильную кислоту HCN и частично разлагаясь на азот и водород. Также он может реагировать с метаном, образуя ту же самую синильную кислоту: 2CH4 + 2NH3 + 3O2 -> 2HCN ^ + 6H2O,
NH4OH -> NH3 ^ + H2O. C солями меди и с серебром образует комплексные соли-аммиакаты Cu(NO3)2 + 4NH3 -> [Cu(NH3)4](NO3)2, Cu3(PO4)2 + 12NH3 -> [Cu(NH3)4]3(PO4)2, Cu(CH3COO)2 + 4NH3 -> [Cu(NH3)4](CH3COO)2, AgNO3 + 2NH3 -> [Ag(NH3)2]NO3.
История Аммиак был впервые выделен в чистом виде Дж. Пристли в 1774 году, который назвал его «щелочной воздух» (). Через одиннадцать лет, в 1785 году К. Бертолле установил точный химический состав аммиака. С того времени в мире начались исследования по получению аммиака из азота и водорода. Аммиак был очень нужен для синтеза соединений азота, поскольку получение их из чилийской селитры ограничивалось постепенным истощением запасов последней. Проблема уменьшения запасов селитры обострилась к концу XIX века. Только в начале XX века удалось изобрести процесс синтеза аммиака, пригодный для промышленности. Это осуществил Ф. Габер, начавший трудиться над этой задачей в 1904 году и к 1909 году создавший небольшой контактный аппарат, в котором использовал повышенное давление (в соответствии с принципом Ле-Шателье) и катализатор из осмия. 2 июля 1909 года Габер устроил испытания аппарата в присутствии К. Боша и А. Митташа, оба — от Баденского анилинового и содового завода (BASF), и получил аммиак. К. Бош к 1911 году создал крупномасштабную версию аппарата для BASF, а затем был построен и 9 сентября 1913 года вступил в строй первый в мире завод по синтезу аммиака, который был расположен в Оппау (ныне район в черте города Людвигсхафен-на-Рейне) и принадлежал BASF. В 1918 году Ф. Габер стал лауреатом Нобелевской премии по химии «за синтез аммиака из составляющих его элементов». В России и СССР первая партия синтетического аммиака была получена в 1928 году на Чернореченском химическом комбинате (Дзержинск).
Происхождение названия Аммиак (в европейских языках его название звучит как «аммониак») от — название нашатыря, который получали в оазисе Аммониум в Ливийской пустынеСловарь иностранных слов. — М.: «Русский язык», 1989. — 624 с. ISBN 5-200-00408-8, расположенном на перекрёстке караванных путей. В жарком климате мочевина (NH2)2CO, содержащаяся в продуктах жизнедеятельности животных, разлагается особенно быстро. Одним из продуктов разложения и является аммиак.
Жидкий аммиак Аммиак сжижается при температуре −36 °С, или комнатной температуре и давлении около 8,5 атмосфер, что делает удобным его хранение и транспортировку в жидком виде (см. аммиакопровод).
Жидкий аммиак, хотя и в незначительной степени, диссоциирует на ионы (автопротолиз), в чём проявляется его сходство с водой: 2NH3 -> NH4^+ + NH2^-.
Константа самоионизации жидкого аммиака при −50 °C составляет примерно 10−33 (моль/л2).
Жидкий аммиак, как и вода, является сильным ионизирующим растворителем, в котором растворяется ряд активных металлов: щелочные, щёлочноземельные, Mg, Al, а также Eu и Yb. В отличие от воды, с жидким аммиаком данные металлы не реагируют, а именно растворяются и могут быть выделены в исходном виде при испарении растворителя. Растворимость щелочных металлов в жидком NH3 составляет несколько десятков процентов. В жидком аммиаке NH3 также растворяются некоторые интерметаллиды, содержащие щелочные металлы, например, Na4Pb9.
Разбавленные растворы металлов в жидком аммиаке окрашены в синий цвет, концентрированные растворы имеют металлический блеск и похожи на бронзу. При испарении аммиака щелочные металлы выделяются в чистом виде, а щёлочноземельные — в виде комплексов с аммиаком [\text{Э}(NH3)6], обладающих металлической проводимостью. При слабом нагревании эти комплексы разлагаются на металл и NH3.
Растворённый в NH3 металл постепенно реагирует с образованием амида: 2Na + 2NH3 -> 2NaNH2 + H2.
Получающиеся в результате реакции с аммиаком амиды металлов содержат отрицательный ион NH2^-, который также образуется при самоионизации аммиака. Таким образом, амиды металлов являются аналогами гидроксидов. Скорость реакции возрастает при переходе от Li к Cs. Реакция значительно ускоряется в присутствии даже небольших примесей H2O.
Металлоаммиачные растворы обладают металлической проводимостью, в них происходит распад атомов металла на положительные ионы и сольватированные электроны, окружённые молекулами NH3. Металлоаммиачные растворы, в которых содержатся свободные электроны, являются сильнейшими восстановителями.
Многие соли имеют иную растворимость в жидком аммиаке по сравнению с водой. Сравнительная растворимость некоторых солей в воде и жидком аммиаке (г соли на 100 г растворителя) приведена в таблице ниже:
{| class="wikitable" style="text-align: right" |+ ! |Растворитель ! |AgI ! |Ba(NO3)2 ! |KI ! |NaCl ! |BaCl2 ! |ZnCl2 |- ! H2O |0||9||144||36||36||367 |- ! NH3 |207||97||182||3||0||0
Из-за такой различной растворимости многие реакции в среде жидкого аммиака протекают иначе, чем в воде. Например:
В воде эта реакция протекает в обратную сторону.
Комплексообразование Благодаря своим электронодонорным свойствам молекулы NH3 могут входить в качестве лиганда в состав комплексных соединений. Так, введение избытка аммиака в растворы солей d-металлов приводит к образованию их аминокомплексов: CuSO4 + 4NH3 -> [Cu(NH3)4]SO4. Ni(NO3)2 + 6NH3 -> [Ni(NH3)6](NO3)2.
Комплексообразование обычно сопровождается изменением окраски раствора. Так, в первой реакции голубой цвет (CuSO4) переходит в тёмно-синий (окраска комплекса), а во второй реакции окраска изменяется из зелёной (Ni(NO3)2) в сине-фиолетовую. Наиболее прочные комплексы с NH3 образуют хром и кобальт в степени окисления +3.
Биологическая роль