אחת מתרכובות החנקן החשובות ביותר היא אמוניה. לפי תכונותיו הפיזיקליות, זהו גז חסר צבע בעל ריח חד ומחניק (זהו ריח של תמיסה מימית של אמוניום הידרוקסיד NH₃·H₂O). הגז מסיס מאוד במים. בתמיסה מימית, אמוניום הוא בסיס חלש. זהו אחד המוצרים החשובים ביותר של התעשייה הכימית.
NH₃ הוא מפחית טוב, שכן במולקולת האמוניום, לחנקן יש את מצב החמצון הנמוך ביותר -3. מאפיינים רבים של אמוניה נקבעים על ידי זוג אלקטרונים בודדים באטום החנקן - תגובות הוספה עם אמוניה מתרחשות עקב נוכחותה (זוג בודדים זה ממוקם במסלול החופשי של פרוטון H⁺).
איך משיגים אמוניה
ישנן שתי שיטות מעשיות עיקריות להשגת אמוניה: אחת במעבדה, השנייה בתעשייה.
שקול את ייצור האמוניה בתעשייה. אינטראקציה של חנקן מולקולרי ומימן: N₂ + 2H₂=2NH₃(תגובה הפיכה). שיטה זו להשגת אמוניה נקראת תגובת הבר. כדי שחנקן מולקולרי ומימן יגיבו, יש לחמם אותם ל-500 ᵒC או 932 ᵒF, יש לבנות לחץ MPA של 25-30. ברזל נקבובי חייב להיות נוכח כזרז.
הקבלה במעבדה היא תגובה בין אמוניום כלוריד לסידן הידרוקסיד: CA(OH)₂ + 2NH₄Cl=CaCl₂ + 2NH₄OH (מכיוון ש-NH₄OH היא תרכובת חלשה מאוד, היא מתפרקת מיד לאמוניה גזי ומים: NH₄OH NH₃ + H₂O).
תגובת חמצון אמוניה
הם ממשיכים בשינוי במצב החמצון של חנקן. מכיוון שאמוניה היא מפחית טוב, ניתן להשתמש בה כדי להפחית מתכות כבדות מהתחמוצות שלהן.
הפחתת מתכת: 2NH₃ + 3CuO=3Cu + N₂ + 3H₂O (כאשר תחמוצת נחושת(II) מחוממת בנוכחות אמוניה, מתכת נחושת אדומה פוחתת).
חמצון של אמוניה בנוכחות חומרי חמצון חזקים (לדוגמה הלוגנים) מתרחש על פי המשוואה: 2NH₃ + 3Cl₂=N₂ + 6HCl (תגובת חיזור זו דורשת חימום). כאשר נחשפים לאשלגן פרמנגנט על אמוניה בתווך אלקליני, נצפית היווצרות חנקן מולקולרי, אשלגן פרמנגנט ומים: 2NH₃ + 6KMnO₄+ 6KOH=6K₂MnO₄+ N₂ + 6H₂O.
בחימום אינטנסיבי (עד 1200 מעלות צלזיוס או 2192 ᵒF), אמוניה יכולה להתפרק לחומרים פשוטים: 2NH₃=N₂ + 3H₂. ב-1000 oC או 1832 אמוניה מגיבה עם מתאן CH4: 2CH₄ + 2NH₃ + 3O₂=2HCN + 6H₂O (חומצה הידרוציאנית ומים). על ידי חמצון אמוניה עם נתרן היפוכלוריט, הידרזין H₂X₄ יכולקבל: 2NH3 + NaOCl=N2H4 + NaCl + H 2O
שריפת אמוניה והחמצון הקטליטי שלה עם חמצן
לחמצון של אמוניה עם חמצן יש תכונות מסוימות. ישנם שני סוגים שונים של חמצון: קטליטי (עם זרז), מהיר (שריפה).
בעת השריפה מתרחשת תגובת חיזור, שתוצריה הם חנקן מולקולרי ומים: 4NH3 + 2O2=2N2 + 6H2O הצתה עצמית של אמוניה). חמצון קטליטי עם חמצן מתרחש גם בחימום (בערך 800 ᵒC או 1472 ᵒF), אך אחד מתוצרי התגובה שונה: 4NH₃ + 5O₂=4NO + 6H₂O (בנוכחות פלטינה או תחמוצות של ברזל, מנגן, קובלט אסרום או קובלט. כזרז, תוצרי החמצון הם חנקן תחמוצת (II) ומים).
שקול את החמצון ההומוגני של אמוניה עם חמצן. חמצון מונוטוני בלתי מבוקר של קטע גז האמוניה הוא תגובה איטית יחסית. זה לא מדווח בפירוט, אבל גבול הדליקה התחתון של תערובות אמוניה-אוויר ב-25 מעלות צלזיוס הוא כ-15% בטווח הלחץ של 1-10 בר ויורד ככל שהטמפרטורה הראשונית של תערובת הגז עולה.
אם CNH~ הוא חלק השומה של NH3 בתערובת אוויר-אמוניה עם טמפרטורה מעורבבת (OC), אז מהנתונים CNH=0.15-0 שגבלת הדליקה נמוכה. לכן, סביר לעבוד עם מרווח בטיחות מספיק מתחת לגבול התחתוןדליקות, ככלל, הנתונים על ערבוב אמוניה עם אוויר רחוקים לרוב מלהיות מושלמים.
מאפיינים כימיים
שקול את חמצון המגע של אמוניה לחנקן תחמוצת. תגובות כימיות אופייניות עם אמוניה מבלי לשנות את מצב חמצון החנקן:
- תגובה עם מים: NH₃ + H₂O=NH₄OH=NH₄⁺ + he⁻ (התגובה היא הפיכה כי אמוניום הידרוקסיד NH₄OH היא תרכובת לא יציבה).
- תגובה עם חומצות ליצירת מלחים נורמליים וחומציים: NH₃ + HCl=NH₄Cl (נוצר מלח אמוניום כלורי רגיל); 2NH₃ + H₂SO₄=(NH₄)₂SO₄.
- תגובות עם מלחים של מתכות כבדות ליצירת קומפלקסים: 2NH₃ + AgCl=[Ag(NH₃)₂]Cl (צורות תרכובות כסף מורכבות (I) דיאמין כלוריד).
- תגובה עם הלואלקנים: NH3 + CH3Cl=[CH3NH3]Cl (צורות מתיל-אמוניום הידרוכלוריד הן יון האמוניום המוחלף NH4=).
- תגובה עם מתכות אלקליות: 2NH₃ + 2K=2KNH₂ + H₂ (יוצר אשלגן אמיד KNH₂; חנקן אינו משנה את מצב החמצון, למרות שהתגובה היא חיזור). תגובות הוספה מתרחשות ברוב המקרים ללא שינוי מצב החמצון (כל האמור לעיל, למעט האחרון, מסווג לפי סוג זה).
מסקנה
אמוניה הוא חומר פופולרי שנמצא בשימוש פעיל בתעשייה. היום זה תופס מקום מיוחד בחיינו,מכיוון שאנו משתמשים ברוב המוצרים שלה בכל יום. מאמר זה יהיה קריאה שימושית עבור רבים שרוצים לדעת על מה שמקיף אותנו.
