Аміак (NH₃) — це проста неорганічна сполука, яка відіграє важливу роль у хімії, біології, промисловості та повсякденному житті. Ось докладний опис аміаку з різних аспектів:
Хімічна структура
- Формула: NH₃.
- Будова: Молекула аміаку має тригонально-пірамідальну форму завдяки sp³-гібридизації атома азоту. Азот зв’язаний із трьома атомами водню ковалентними зв’язками, а четверта пара електронів (вільна пара) розташована на вершині піраміди.
- Кут зв’язку: Приблизно 107° (менше, ніж ідеальні 109.5° для тетраедра, через відштовхування вільної пари електронів).
- Полярність: Аміак є полярною молекулою через різницю в електронегативності між азотом (3.0) і воднем (2.1) та асиметричну форму.
Фізичні властивості
- Зовнішній вигляд: Безбарвний газ із різким, характерним запахом (часто описується як “їдкий” або “гострий”).
- Температура кипіння: -33.34°C (при атмосферному тиску), що дозволяє легко зріджувати його за низьких температур або підвищеного тиску.
- Температура плавлення: -77.73°C.
- Розчинність: Дуже добре розчиняється у воді (до 1000 об’ємів NH₃ на 1 об’єм H₂O при 0°C) через утворення водневих зв’язків. У воді частково утворює гідроксид амонію (NH₄OH):
NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻. - Густина: 0.771 г/л (як газ при 0°C), легший за повітря (молярна маса 17 г/моль проти 29 г/моль для повітря).
Хімічні властивості
1. Основність:
- Аміак є слабкою основою за Бренстедом-Лоурі. Вільна пара електронів на азоті може приймати протон (H⁺), утворюючи іон амонію (NH₄⁺).
- Константа основності (K_b) у воді становить приблизно 1.8 × 10⁻⁵.
2. Реакція з кислотами:
- Реагує з кислотами з утворенням солей амонію:
NH₃ + HCl → NH₄Cl (хлорид амонію).
3. Окиснення:
- При нагріванні з киснем аміак може горіти, утворюючи азот і воду:
4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O. - У присутності каталізатора (наприклад, платини) окислюється до оксиду азоту (NO) — основа процесу виробництва нітратної кислоти.
4. Комплексоутворення:
- Завдяки вільній парі електронів аміак утворює координаційні сполуки з іонами металів (наприклад, [Cu(NH₃)₄]²⁺ — тетраамінмідь(II)).
5. Водневі зв’язки:
- Молекули NH₃ утворюють водневі зв’язки між собою та з водою, що пояснює високу розчинність і відносно високу температуру кипіння для такої малої молекули.
Виробництво
- Промисловий синтез (процес Габера-Боша):
- Аміак синтезують із азоту (N₂) і водню (H₂) за високого тиску (150-300 атм) і температури (400-500°C) у присутності каталізатора (заліза з добавками):
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. - Це один із наймасштабніших хімічних процесів у світі, оскільки аміак є основою для виробництва добрив.
- Природне утворення:
- Утворюється в процесі розкладання органічних речовин (наприклад, сечовини) бактеріями:
(NH₂)₂CO + H₂O → 2NH₃ + CO₂.
Застосування
1. Сільське господарство:
- Використовується для виробництва добрив (нітрат амонію, сечовина), які забезпечують рослини азотом.
2. Промисловість:
- Основа для синтезу нітратної кислоти, вибухівки (наприклад, тротилу), барвників і пластмас.
3. Побут:
- Водний розчин аміаку (нашатирний спирт, 10-25% NH₃) застосовують як засіб для чищення (видалення жирів, плям).
3. Холодильна техніка:
- Завдяки високій теплоті випаровування аміак використовується як холодоагент (R717).
Біологічна роль
- Метаболізм:
- Аміак утворюється в організмі при розщепленні білків і нуклеїнових кислот. У печінці він перетворюється на сечовину через цикл сечовини для виведення нирками.
- Токсичність:
- У високих концентраціях аміак токсичний, особливо для нервової системи (гіперамоніємія може призвести до енцефалопатії).
- У природі низькі концентрації аміаку в ґрунті слугують джерелом азоту для рослин.
Вплив на здоров’я та безпека
- Запах: Помітний при концентраціях 5-50 ppm (частин на мільйон).
- Подразнення: При >100 ppm подразнює очі, дихальні шляхи; при >1000 ppm може викликати опіки слизових оболонок і набряк легенів.
- Гранична концентрація: У робочих приміщеннях — 20 мг/м³ (близько 28 ppm).
Цікаві факти
- Аміак був відкритий у чистому вигляді Джозефом Прістлі в 1774 році, хоча його водний розчин (нашатир) використовували ще в стародавні часи.
- На Юпітері та інших газових планетах аміак є важливою складовою атмосфери.
- Назва походить від “sal ammoniacum” (амонієва сіль), яку добували поблизу храму Амона в Єгипті.