Аммиа́к [сокращение от греч. ἅλς Ἀμμωνιακός, лат. sal Ammoniacus; так назывался нашатырь (хлорид аммония), который получали путём сжигания верблюжьего навоза в оазисе Аммониум в Ливийской пустыне], простейшее химическое соединение азота с водородом, NН₃; многотоннажный продукт химической промышленности.

Свойства

Молекула NН₃ имеет форму правильной пирамиды с атомом азота в вершине; связи NН полярны, энергия связи NH 389,4 кДж/моль. У атома N имеется неподелённая пара электронов, которая обусловливает способность аммиака к образованию донорно-акцепторной и водородной связей. Аммиак. Структура молекулы. Архив БРЭ.Аммиак. Структура молекулы. Архив БРЭ.Молекула NН₃ способна к инверсии – «выворачиванию наизнанку» путём прохождения атома азота сквозь образованную атомами водорода плоскость основания пирамиды.

Аммиак – бесцветный газ с резким запахом; t_пл –77,7 °C; t_кип –33,35 °C; плотность газообразного NН₃ (при 0 °C, 0,1 МПа) 0,7714 кг/м³; теплота образования аммиака из элементов ΔН_обр –45,94 кДж/моль. Сухая смесь аммиака с воздухом (15,5–28% по массе NН₃) способна взрываться. Жидкий NН₃ – бесцветная, сильно преломляющая свет жидкость, хороший растворитель для многих органических и неорганических соединений. Аммиак легко растворим в воде (33,1% по массе при 20 °C), несколько хуже в спирте, ацетоне, бензоле, хлороформе. Раствор аммиака в воде – аммиачная вода – бесцветная жидкость с запахом аммиака; раствор, содержащий 10% по массе NН₃, имеет торговое название нашатырный спирт. В водном растворе аммиака частично ионизирован на N и ОН^–, что обусловливает щелочную реакцию раствора (рK 9,247).

Разложение аммиака на водород и азот становится заметным при температуре выше 1200 °C, в присутствии катализаторов (Fe, Ni) – выше 400 °C. Аммиак весьма реакционноспособное соединение. Для него типичны реакции присоединения, в частности протона при взаимодействии с кислотами. В результате образуются соли аммония, которые по многим свойствам подобны солям щелочных металлов. Aммиак – основание Льюиса, присоединяет не только Н⁺, но и другие акцепторы электронов, например ВF₃ с образованием ВF₃·NН₃. Действием NН₃ на простые или комплексные соли металлов получают аммиакаты, например цис-[PtCl₂(NH₃)₂]. Для аммиака характерны также реакции замещения. Щелочные и щёлочноземельные металлы образуют с NН₃ амиды (например, NaNH₂). При нагревании в атмосфере аммиака многие металлы и неметаллы (Zn, Cd, Fe, Cr, B, Si и др.) образуют нитриды (например, BN). При температуре около 1000 °C NН₃ реагирует с углеродом, образуя циановодород HCN и частично разлагаясь на N₂ и Н₂. Образует с СО₂ карбамат аммония NH₂COONH₄, который при температуре 160–200 °C и давлении до 40 МПа распадается на воду и мочевину. Водород в аммиаке может быть замещён галогенами. Аммиак горит в атмосфере О₂, образуя воду и N₂. Каталитическим окислением аммиака (катализатор Рt) получают NO (реакцию используют в производстве азотной кислоты), окислением аммиака в смеси с метаном – HCN.

Получение и применение

В природе аммиак образуется при разложении азотсодержащих соединений. В 1774 г. Дж. Пристли впервые собрал в ртутной ванне аммиак, образующийся при действии извести на хлорид аммония. Старейший промышленный способ получения NН₃ – выделение аммиака из отходящих газов при коксовании угля.

Основной способ получения аммиака – синтез его из азота и водорода, предложенный в 1908 г. Ф. Габером. Синтез аммиака в промышленности осуществляют по реакции $N_2+3Н_2⇄2NН_3$. Сдвигу равновесия вправо способствуют повышение давления и понижение температуры. Процесс проводят при давлении около 30 МПа и температуре 450–500 °C в присутствии катализатора – Fe, активированного оксидами K₂О, Аl₂О₃, СаО и др. При однократном прохождении через массу катализатора возможно превращение в аммиак лишь 20–25% исходной газовой смеси; для полного превращения необходима многократная циркуляция. Основное сырьё для получения Н₂ в производстве аммиака – природный горючий газ, перерабатываемый методом двухступенчатой парогазовой конверсии метана.

Производство аммиака включает следующие стадии: очистку природного газа от сернистых соединений каталитическим гидрированием их до Н₂S c последующим поглощением сероводорода оксидом цинка; паровую конверсию природного газа под давлением 3,8 МПа при температуре 860 °C на катализаторе Ni – Al в трубчатой печи (первичный риформинг); паровоздушную конверсию остаточного метана в шахтном конвертере (вторичный риформинг) при 990–1000 °C и 3,3 МПа на катализаторе Ni – Al; на этом этапе водород обогащается азотом из атмосферного воздуха для получения смеси азота с водородом (соотношение по объёму 1:3), поступающей на синтез NН₃; конверсию СО до СО₂ и Н₂ сначала при 450 °C и 3,1 МПа на катализаторе Fe – Cr, затем при 200–260 °C и 3,0 МПа на катализаторе Zn – Cr – Cu; очистку Н₂ от СО₂ абсорбцией раствором моноэтаноламина или горячим раствором K₂СО₃ при 2,8 МПа; очистку смеси Н₂ и N₂ путём гидрирования от остаточных СО и СО₂ в присутствии катализатора Ni – Al при 280 °C и 2,6 МПа; компримирование (сжатие) очищенного газа до 15–30 МПа и синтез аммиака на железном промотированном катализаторе при 400–500 °C в реакторе синтеза с насадкой с радиальным или аксиальным ходом газа. Поставляемый в промышленность жидкий аммиак содержит не менее 99,96% по массе NH₃. В аммиак, транспортируемый по трубопроводу, добавляется до 0,2–0,4% Н₂О для ингибирования коррозии стали.

Современная технология синтеза аммиака заключается в получении азота из воздуха, а водорода – из воды при помощи электролизёра, работающего на возобновляемой энергии. Полученный таким способом аммиак называют зелёным аммиаком, ввиду отсутствия выбросов углекислого газа при его производстве. В зависимости от способа производства и объема выбросов CO₂ различают голубой и серый аммиак.

Аммиак применяют в производстве азотной кислоты, мочевины, солей аммония, аммофоса, уротропина, соды (по аммиачному методу), как жидкое удобрение, в качестве хладагента и пр. Пучок молекул NH₃ был использован в качестве рабочего вещества в первом квантовом генераторе – мазере (1954).

Аммиак токсичен. При содержании в воздухе 0,02% аммиака по объёму раздражает слизистые оболочки. Жидкий аммиак вызывает сильные ожоги кожи.

Мировое производство аммиака (в пересчёте на N) около 147 млн т/год (2020), в том числе в РФ 16,1 млн т/год.