氨(英文名称:Ammonia),
无机化合物,由氮和氢组成。
化学式为NH3,以液体存在时称为
液氨;以气体存在时称为氨气,
摩尔质量为17.031g/
摩尔,在标准条件下,密度为0.5971g/cm3。氨在常温常压为无色气体,有特殊刺激性臭味,容易被
液化,极易溶于水、醇类等
溶剂。氨溶解时放出大量热。氨的水溶液呈弱碱性,易挥发。氨可以与
无机酸反应,生成各种
铵盐,可以用于制造
氮肥。氨是一种
可燃性气体,与空气或
氧气混合到一定浓度时发生爆炸。氨在实验室可由
氯化铵和
氢氧化钙共热制的,工业上可由氰化法和合成氨法制得。氨在医药上主要用于制造磺胺类药物,农业上主要用于生产氮肥,工业上主要用于生产炸药和各种
化学纤维及塑料。
历史
发现
1754年,
英国化学家约瑟夫·普里斯特利(Joesph Priestley)在加热氯化和
生石灰混合物时发现氨。1784年,
法国化学家伯托利(C.L.Berthollet)确定氨是由氢和氮组成。
发展
1898年,弗兰克(A.Frank)等人发现
碳化钙在
氮气中加热到1000℃便可得到
氰氨化钙,氨化钙与
过热蒸汽反应便可得到氨。这种制氨的方法被人们称为氰化法,但这种方法所消耗的能量较高,所以并不经济。
1901年,吕·查得利(Le Chaterlier)在高压、高温的条件下合成了氨,虽然最终发生了爆炸,但开创了高压合成氨的先河。1909年,
德国物理化学家弗丽茨·哈伯(Fritz Haber)使用锇为
催化剂,在17.5MPa~20.0MPa和500℃~600℃的条件下合成了6%的氨。这成为了氨的合成从实验室到工业化的转折点。1911年,米塔西(Mittasch)成功研究出以
铁为活性催化剂来合成氨,这种催化剂比作为催化剂廉价,活性高并且耐用。1912年,德国奥堡(Oppau)巴登苯胺纯碱公司建成一个
日产汽车公司30t的合成氨装置,1913年开始运转。
第一次世界大战德国战败后,被迫将合成氨的技术公开。经其他国家在此基础上进行改进后,出现了不同压力的合成氨的方法:低压法(10MPa)、中压法(20MPa~30MPa)和高压法(70MPa~100MPa),但大多数工厂采用的是中压法。
二次世界大战后,由于合成氨的需求量的增加以及石油工业和天然气工业的迅速发展,合成氨的原料逐渐用廉价的天然气、
石脑油和重油来代替固体原料(如
冶金焦)。
氨的来源
自然界中的氨是由动物体和植物腐烂形成的,因为这些物质中含有
蛋白质形式的氮。氨也是动物体
新陈代谢的副产物,在这种情况下,它形成
尿素并排出体外。
在海洋中,生物体中氨基酸中氮的价态为-3,从能量的角度看,-3价的无机氮容易被浮游植物或微生物通过
光合作用或化能合成作用吸收利用,转化成有机氮。有机氮再通过呼吸作用,转化为无机氮,也就是氨。
微生物、
藻类和与其共生的高等植物可以通过自身的
固氮酶复合物把
氮气转变为氨;土壤中的
硝酸盐,
亚硝酸盐以及
铵盐可以通过植物根系进入植物细胞,被硝酸还原酶和亚硝酸还原酶催化转变成氨。
氨在人体的代谢
人体内
代谢产生的氨和
消化道吸收的氨进入血液后形成
血氨。在正常生理情况下,血氨的水平在47μmol/L~65μmol/L。在人体内,氨的来源有
氨基酸脱氨基、肠道吸收和肾脏产生。氨是有毒的代谢物质,所以机体各组织所产生的氨必须以无毒的形式经血液运输至
肝脏合成
尿素,然后经肾脏排出,这是体内氨的主要去路(也可以与
谷氨酸反应生成谷氨酰胺,重新合成氨基酸,合成其他含氮化合物),或运输至肾脏以
铵盐的形式随尿排出体外。氨在血液中有两种运输形式:丙氨酸-葡萄糖循环和谷氨胺运氨作用。
结构
氨分子是由一个
氮和三个氢原子构成,其中氮原子有5个
价电子,3个未成对。氮原子采取不等性sp3杂化,当它与氢原子化合时,每个氮原子可以和3个氢原子通过
极性共价键结合成氨分子,氨分子里的氮原子还有一个孤对
电子。由于孤
电子对对成键电子对的排斥作用,使N-H键之间的键角∠HNH不是
正四面体的109°28′,而是107°,空间结构为三角锥型。这种结构使得氨分子有相当大的极性(偶极矩为5.5×10-30C·m),易形成
氢键。
理化性质
物理性质
常温常压下,氨是一种具有强烈刺激性臭味的无色气体,
摩尔质量为17.031g/
摩尔,密度为0.5971g/cm3,沸点为-33℃,熔点为-77.7℃。氨极易溶于水、醇类、
丙酮、
三氯甲烷、苯等溶剂,常温常压下,一体积水可溶解700体积氨,溶解时放出大量热。
氨很容易被
液化,在0.1MPa压力下,将氨冷却到-33.5℃,或在常温下加压到0.7~0.8MPa,氨就能液化成无色的液体,同时放出大量的热量。
液氨的相对密度为0.667(20℃)。如果人与液氨接触,则会冻伤皮肤。若将液氨在0.101MPa压力下冷却至-77.7℃,就
凝结成略带臭味的无色结晶。液氨也很容易气化,降低压力可急剧蒸发,并吸收大量的热。
化学性质
氨对大部分物质没有腐蚀性,但在有水的条件下,对铜、银、锌等金属有腐蚀作用。氨的自燃温度为630℃。氨与空气或氧按一定比例混合后,遇火能爆炸,氨在空气中的爆炸范围为15.5%~28%,在
氧气中为13.5%~82%。氨有强烈的毒性,空气中含有0.5%(体积)的氨,就能在几分钟内使人窒息死亡。
自然界中的氨是由动物体和植物腐烂形成的,因为这些物质中含有
蛋白质形式的氮。氨也是动物体
新陈代谢的副产物,在这种情况下,它形成
尿素并排出体外。
高温分解
在高温(800℃以上),氨能分解成氮和氢。
与酸或酸酐反应
还原性
一氧化氮继续氧化与水可以反应生成硝酸。
在铜催化剂或钯催化剂存在的条件下,氨与氧反应生成
氮气。
Cl2或Br2在常温下也能气态或溶液中把NH3氧化为N2。
若Cl2过量,则生成NCl3。
NH3通过热的CuO也可以被氧化为N2。
NH3与
过氧化物或
高锰酸盐反应,也均被氧化为N2。
配合物
氨可以提供孤电子对,用作
配体生成氨的配合物,如[Ag(NH3)2]+、[Cu(NH3)4]2+。氨能生成各种加成配位化合物,它们和
水合物类似,通称氨合物,例如:对应CaCl2·6HO和CuSO4·4H2O也分别有CaCI2·6NH3和CuSO4·4NH3。此等化合物作为配位化合物时,通常称氨络物。
合成氢氰酸、尿素
制备方法
实验室制法
工业制法
氰化法
碳化钙在
氮气中加热至1000℃得到
氰氨化钙,氰氨化钙与过热蒸汽反应生成氨。反应方程式如下:
Haber-Bosch法合成氨
经过了近百年的发展,人们对于H-B法不断改进,如今工业上合成氨是在高温(400°C -500°C) 以及高压 (20MPa-40MPa) 条件下利用Fe/Ru基
金属催化剂将N2和H2转化为NH3。但是该方法会消耗大量的能源并且会排放出大量的
二氧化碳。
工艺流程
①天然气蒸汽重整制备H2,该过程会消耗大量的化石能源。
②水煤气转化生成更多的H2。
③去除气体中残余的CO和CO2,得到更高纯度的H2。
④将到纯度的N2和H2通入反应装置,利用H-B法制氨。
⑤冷却分离NH3,并回收未反应的N2和H2。
应用领域
医药
氨在医药上用于生产磺胺类药物、
维生素、
甲硫氨酸和其他氨基酸等。其中合成的
色氨酸,会使身体合成血清素和褪黑激素。
农业
氨在
国民经济中有着重要意义,现在约有85%的氨用来制造肥料,其余作为生产其他化工产品的原料。除
液氨可直接作为肥料外,农业上使用的
氮肥,例如
尿素、
硝酸铵、
磷酸铵、
硫酸铵、
氯化铵、
氨水以及各种含氮混肥和复肥,都是以氨为原料的。
工业
氨在工业上主要用来制造炸药和各种
化学纤维及塑料。从氨可以制得硝酸,进而再制造硝酸铵、
硝化甘油、
三硝基甲苯和硝基
纤维素等炸药。在化纤和塑料工业中,则以氨、
硝酸和尿素等作为氮源,生产
己内酰胺、
尼龙6
单体、
己二胺、
冰丝面料、
丙烯腈、
酚醛树脂和
脲醛树脂等产品。在冶金工业中用来提炼
矿石中的铜、
镍等金属。在制冰、空调、冷藏等系统可以作
致冷剂。
安全事宜
安全标识
GHS分类
储存
储存于阴凉、干燥、通风处。远离火种、热源。防止阳光直射。保持容器密封。应与酸类、金属粉末等分开存放。
泄露处理
氨发生泄露时,人员需迅速撤离泄漏污染区至上风处,并立即进行隔离150m,严格限制出入,切断火源,尽可能切断泄漏源。对泄露污染区合理通风,加速扩散。高浓度泄漏区,喷含
盐酸的雾状水中和、稀释、溶解,并构筑围堤或挖坑收容产生的大量
废水。如有可能,将残余气或漏出气用
排风机送至水洗塔或与塔相连的通风橱内。储罐区最好设稀酸喷洒设施。漏气容器要妥善处理,修复、检验后再使用。
消防处理
消防人员必须穿全身防火
防毒服,在上风向灭火,切断气源,若不能切断气源,则不允许熄灭泄漏处的火焰,喷水冷却容器,可能的话将容器从火场移至空旷处。灭火剂可以使用雾状水、抗溶性泡沫、
二氧化碳、砂土。
健康危害
低浓度的氨对黏膜有刺激作用,高浓度可造成组织溶解性坏死,引起
化学性肺炎及灼伤。轻度急性中毒者表现为皮肤、黏膜的刺激反应,出现
鼻炎、
咽炎、
气管炎和
支气管炎;可有角膜和皮肤灼伤。重度者出现喉头水肿、
声门狭窄、
呼吸道黏膜
细胞脱落,气道阻塞而室息,可发生中毒性
肺水肿和
肝损伤。氨可引起反射性呼吸停止。如氨溅入眼内,可致
晶体混浊、角膜穿孔,甚至
失明。
急救措施
吸入:迅速脱离现场至空气新鲜处,保持呼吸道通畅,如
呼吸困难,应输氧,如呼吸停止,立即进行人工呼吸,就医。
眼睛接触:应立即拉下眼脸,用清水或凉开水从
眼眶上部流经眼球(避免直接冲击),反复冲洗至少10分钟,就医。
皮肤接触:应立即脱去污染衣物,用大量清水冲洗至少30分钟,严重者再用2%
冰醋溶液进行中和或用2%
硼酸溶液湿敷就医。
参考资料
Ammonia.ACS Chemistry For Life.2023-01-10