Utlenianie amoniaku i jego właściwości

Jednym z najważniejszych związków azotu jest amoniak. Według właściwości fizycznych jest to bezbarwny gaz o ostrym, duszącym zapachu (jest to zapach wodnego roztworu wodorotlenku amonu NH₃-H₂O). Gaz jest dobrze rozpuszczalny w wodzie. W roztworze wodnym amon jest słabą zasadą. Jest to jeden z najważniejszych produktów przemysłu chemicznego.

NH₃ jest dobrym reduktorem, ponieważ w cząsteczce amonu azot ma najniższy stan utlenienia -3. O wielu właściwościach amoniaku decyduje para pojedynczych elektronów w atomie azotu - reakcje addycji z amoniakiem zachodzą dzięki jej obecności (ta para jedynek znajduje się na swobodnej orbicie protonu H⁺).

Jak zrobić amoniak

Istnieją dwie główne praktyczne metody produkcji amoniaku: jedna w laboratorium, a druga w przemyśle.

Rozważmy przemysłową produkcję amoniaku. Oddziaływanie azotu cząsteczkowego i wodoru: N₂ + 2H₂ = 2NH₃ (reakcja odwracalna). Ta metoda produkcji amoniaku nazywana jest reakcją Habera. Aby azot cząsteczkowy i wodór mogły wejść w reakcję, należy je podgrzać do temperatury 500 ᵒC lub 932 ᵒF, wytworzyć ciśnienie MPA 25-30. Porowate żelazo musi być obecne jako katalizator.

Otrzymana w laboratorium reakcja pomiędzy chlorkiem amonu a wodorotlenkiem wapnia: CA(OH)₂ + 2NH₄Cl = CaCl₂ + 2NH₄OH (ponieważ NH₄OH jest bardzo słabym związkiem, natychmiast rozpada się na gaz amoniakalny i wodę: NH₄OH = NH₃ + H₂O).

Reakcja utleniania amoniaku

Powstają one w wyniku zmiany stanu utlenienia azotu. Ponieważ amoniak jest dobrym reduktorem, może być stosowany do redukcji metali ciężkich z ich tlenków.

Redukcja metali: 2NH₃ + 3CuO = 3Cu + N₂ + 3H₂O (podczas ogrzewania tlenku miedzi (II) w obecności amoniaku następuje redukcja czerwonego metalu miedzi).

Utlenianie amoniaku w obecności silnych utleniaczy (np. chlorowców) zachodzi zgodnie z równaniem: 2NH₃ + 3Cl₂ = N₂ + 6HCl (ta reakcja utleniania-redukcji wymaga ogrzewania). Kiedy nadmanganian potasu jest wystawiony na działanie amoniaku w w środowisku alkalicznym obserwuje się powstawanie azotu cząsteczkowego, nadmanganianu potasu i wody: 2NH₃ + 6KMnO₄+ 6KOH = 6K₂MnO₄+ N₂ + 6H₂O.

Przy intensywnym ogrzewaniu (do 1200 °C lub 2192 ᵒF) amoniak może rozpadać się na substancje proste: 2NH₃ = N₂ + 3H₂. W temperaturze 1000 oC lub 1832, amoniak reaguje z metanem CH₄:2CH₄ + 2NH₃ + 3O₂ = 2HCN + 6H₂O (kwas cyjanowodorowy i woda). Przez utlenianie amoniaku podchlorynem sodu można otrzymać hydrazynę H₂X₄: 2NH₃ + NaOCl = N₂H₄ + NaCl + H₂O

Spalanie amoniaku i jego katalityczne utlenianie tlenem

Utlenianie amoniaku tlenem ma pewne cechy charakterystyczne. Istnieją dwa rodzaje utleniania: katalityczne (z katalizatorem), szybkie (spalanie).

Podczas spalania zachodzi reakcja redoks, której produktami są azot cząsteczkowy i woda: 4NH3 + 2O2 = 2N2 + 6H2O (płomień żółto-zielony, spalanie rozpoczyna się w temperaturze 651 lub 103,8 stopni Fahrenheita, gdyż jest to temperatura samozapłonu amoniaku). Katalityczne utlenianie przez tlen zachodzi również przez ogrzewanie (około 800 ᵒC lub 1472 ᵒF), ale jeden z produktów reakcji jest inny: 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O (w obecności platyny lub tlenków żelaza, manganu, chromu lub kobaltu jako katalizatora produktami utleniania są tlenek azotu (II) i woda).

Rozważmy homogeniczne utlenianie amoniaku przez tlen. Niekontrolowane monooksydowanie gazu amoniakalnego jest reakcją stosunkowo powolną. Nie podano szczegółowo, ale dolna granica palności mieszanin amoniaku z powietrzem w temperaturze 25 °C wynosi około 15 % w zakresie ciśnień 1-10 barów i maleje wraz ze wzrostem temperatury początkowej mieszaniny gazów.

Jeśli CNH~ jest ułamkiem molowym NH₃ w mieszaninie powietrze-amoniak w chwili tmixed (OC), wówczas z danych CNH = 0.15-0 oznacza, że granica palności jest niska. Dlatego rozsądnie jest pracować z wystarczającym marginesem bezpieczeństwa poniżej dolnej granicy palności, ponieważ dane dotyczące mieszania amoniaku z powietrzem są często dalekie od doskonałości.

Właściwości chemiczne

Rozważyć kontaktowe utlenianie amoniaku do tlenku azotu. Typowe reakcje chemiczne z amoniakiem bez zmiany stopnia utlenienia azotu:

• Reakcja z wodą: NH₃ + H₂O = NH₄OH = NH₄⁺ + he- (reakcja jest odwracalna, ponieważ wodorotlenek amonu NH₄OH jest związkiem niestabilnym).
• Reaguje z kwasami tworząc sole normalne i kwasowe: NH₃ + HCl = NH₄Cl (powstaje chlorek amonowy soli normalnej); NH₃ + H₂SO₄ = NH₄HSO₄ (w reakcji amoniaku z zimnym stężonym kwasem siarkowym powstaje kwaśna sól wodorosiarczanu amonu); 2NH₃ + H₂SO₄ = (NH₄)₂SO₄.
• Reakcje z solami metali ciężkich z utworzeniem kompleksów: 2NH₃ + AgCl = [Ag(NH₃)₂]Cl (kompleksowe formy chlorku srebra (I) z diaminą).
• Reakcja z halogenalkanami: NH3 + CH3Cl = [CH3NH3]Cl (formy chlorowodorku metyloamonu to podstawiony jon amonowy NH4=).
• Reakcja z metalami alkalicznymi: 2NH₃ + 2K = 2KNH₂ + H₂ (powstaje amid potasu KNH₂; azot nie zmienia stanu utlenienia, choć reakcja jest redoks). Reakcje addycji zachodzą w większości przypadków bez zmiany stanu utlenienia (wszystkie poza ostatnią wymienioną powyżej są klasyfikowane według tego typu).

Wniosek

Amoniak jest popularną substancją, która znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle. Dziś zajmuje ona szczególne miejsce w naszym życiu, ponieważ najczęściej jako produkty jej działalności, z których korzystamy na co dzień. Ten artykuł będzie przydatną lekturą dla wielu osób, które chcą wiedzieć, co nas otacza.